从闪存卡到SSD硬盘,存储芯片是如何发展起来的?

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DRAM属于易失性存储器,也就是大家常说的内存。今天,我们再来看看半导体存储的另一个重要领域,也就是非易失性存储器(也就是大家熟悉的闪存卡、U盘、SSD硬盘等)。

我在“半导体存储的最强科普(链接)”那篇文章中,给大家介绍过,早期时候,存储器分为ROM(只读存储器)RAM(随机存取存储器)。后来,才逐渐改为易失性存储器非易失性存储器这样更严谨的称呼方式。

 

 

1950s-1970s:从ROM到EEPROM

我们从最早的ROM开始说起。

ROM的准确诞生时间,在现有的资料里都没有详细记载。我们只是大概知道,上世纪50年代,集成电路发明之后,就有了掩模ROM

掩模ROM,是真正的传统ROM,全称叫做掩模型只读存储器(MASK ROM)。

这种传统ROM是直接把信息“刻”进存储器里面,完全写死,只读,不可擦除,更不可修改。它的灵活性很差,万一有内容写错了,也没办法纠正,只能废弃。

后来,到了1956年,美国Bosch Arma公司的华裔科学家周文俊(Wen Tsing Chow),正式发明了PROM(Programmable ROM,可编程ROM)

 

 

周文俊

当时,Bosch Arma公司带有军方背景,主要研究导弹、卫星和航天器制导系统。

周文俊发明的PROM,用于美国空军洲际弹道导弹的机载数字计算机。它可以通过施加高压脉冲,改变存储器的物理构造,从而实现内容的一次修改(编程)。

后来,PROM逐渐出现在了民用领域。

一些新型的PROM,可以通过专用的设备,以电流或光照(紫外线)的方式,熔断熔丝,达到改写数据的效果。

这些PROM,被大量应用于游戏机以及工业控制领域,存储程序编码。

1959年,贝尔实验室的工程师Mohamed M. Atalla(默罕默德·阿塔拉,埃及裔)Dawon Kahng(姜大元,韩裔)共同发明了金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)

 

 

默罕默德·阿塔拉与姜大元

MOSFET发明后,被贝尔实验室忽视。又过了很多年,1967年,姜大元与Simon Min Sze(施敏,华裔)提出,基于MOS半导体器件的浮栅,可用于可重编程ROM的存储单元。

 

 

姜大元(左上)、施敏(右上),还有它们设计的浮栅架构

这是一个极为重要的发现。后来的事实证明,MOSFET是半导体存储器存储单元的重要基础元件,可以说是奠基性技术。

当时,越来越多的企业(摩托罗拉、英特尔、德州仪器、AMD等)加入到半导体存储的研究中,尝试发明可以重复读写的半导体存储,提升PROM的灵活性。

正是基于MOSFET的创想,1971年,英特尔公司的多夫·弗罗曼(Dov Frohman,以色列裔),率先发明了EPROM(user-erasable PROM,可擦除可编程只读存储器)。

 

 

多夫·弗罗曼

EPROM可以通过暴露在强紫外线下,反复重置到其未编程状态。

同样是1971年,英特尔推出了自己的2048位EPROM产品——C1702,采用p-MOS技术。

 

 

C1702

不久后,1972年,日本电工实验室的Yasuo Tarui、Yutaka Hayashi和Kiyoko Naga,共同发明了EEPROM(电可擦除可编程ROM)

1980~1988:FLASH闪存的诞生

从ROM发展到EEPROM之后,非易失性存储技术并没有停止前进的脚步。

当时,EEPROM虽然已经出现,但仍然存在一些问题。最主要的问题,就是擦除速度太慢。

1980年,改变整个行业的人终于出现了,他的名字叫舛冈富士雄(Fujio Masuoka,“舛”念chuǎn)。

 

 

舛冈富士雄

舛冈富士雄是日本东芝(Toshiba)公司的一名工程师。他发明了一种全新的、能够快速进行擦除操作的浮栅存储器,也就是——“simultaneously erasable(同步可擦除) EEPROM”。

这个新型EEPROM擦除数据的速度极快,舛冈富士雄的同事根据其特点,联想到照相机的闪光灯,于是将其取名为FLASH(闪存)

遗憾的是,舛冈富士雄发明Flash闪存后,并没有得到东芝公司的充分重视。东芝公司给舛冈富士雄发了一笔几百美金的奖金,然后就将这个发明束之高阁。

原因很简单。这一时期,日本DRAM正强势碾压美国,所以,东芝公司想要继续巩固DRAM的红利,不打算深入推进Flash产业。

1984年,舛冈富士雄在IEEE国际电子元件会议上,正式公开发表了自己的发明(NOR Flash)。

在会场上,有一家公司对他的发明产生了浓厚的兴趣。这家公司,就是英特尔

 

 

英特尔非常看重FLASH技术的前景。会议结束后,他们拼命打电话给东芝,索要FLASH的样品。收到样品后,他们又立刻派出300多个工程师,全力研发自己的版本。

1986年,他们专门成立了研究FLASH的部门。

1988年,英特尔基于舛冈富士雄的发明,生产了第一款商用型256KB NOR Flash闪存产品,用于计算机存储。

1987年,舛冈富士雄继NOR Flash之后,又发明了NAND Flash。1989年,东芝终于发布了世界上第一个NAND Flash产品。

NOR是“或非(NOT OR)”的意思,NAND是“与非(NOT AND)”的意思。这样的命名和它们自身的基础架构有关系。

如下图所示,NOR Flash是把存储单元并行连到位线上。而NAND Flash,是把存储单元串行连在位线上。

 

 

架构对比

NOR Flash存储器,可以实现按位随机访问。而NAND Flash,只能同时对多个存储单元同时访问。

对于NOR Flash,如果任意一个存储单元被相应的字线选中打开,那么对应的位线将变为 0,这种关系和“NOR门电路”相似。

而NAND Flash,需要使一个位线上的所有存储单元都为 1,才能使得位线为 0,和 “NAND门电路”相似。

看不懂?没关系,反正记住:NAND Flash比NOR Flash成本更低。(具体区别,可以参考:关于半导体存储的最强入门科普。)

1988~2000:群雄并起,逐鹿Flash

FLASH(闪存)产品出现后,因为容量、性能、体积、可靠性、能耗上的优势,获得了用户的认可。英特尔也凭借其先发的闪存产品,取得了产业领先优势,赚了不少钱。

搞笑的是,在英特尔公司取得成功后,东芝不仅没有反省自己的失误,反而声称FLASH是英特尔公司的发明,不是自家员工舛冈富士雄的发明。

直到1997年,IEEE给舛冈富士雄颁发了特殊贡献奖,东芝才正式改口。

这把舛冈富士雄给气得不行,后来(2006年),舛冈富士雄起诉了公司,并索要10亿日元的补偿。最后,他和东芝达成了和解,获赔8700万日元(合75.8万美元)。

1988年,艾利·哈拉里(Eli Harari)等人,正式创办了SanDisk公司(闪迪,当时叫做SunDisk)。

 

 

1989年,SunDisk公司提交了系统闪存架构专利(“System Flash”),结合嵌入式控制器、固件和闪存来模拟磁盘存储。这一年,英特尔开始发售512K和1MB NOR Flash。

1989年,闪存行业还有一件非常重要的事情,在以色列,有一家名叫M-Systems的公司诞生。他们首次提出了闪存盘的概念,也就是后来的闪存SSD硬盘。

进入1990年代,随着数码相机、笔记本电脑等市场需求的爆发,FLASH技术开始大放异彩。

1991年,SunDisk公司推出了世界上首个基于FLASH闪存介质的ATA SSD固态硬盘(solid state disk),容量为20MB,尺寸为2.5英寸。

 

 

东芝也开始发力,陆续推出了全球首个4MB和16MB的NAND Flash。

1992年,英特尔占据了FLASH市场份额的75%。排在第二位的是AMD,只占了10%。除了他俩和闪迪之外,行业还陆续挤进了SGS-Thomson、富士通等公司,竞争开始逐渐变得日趋激烈。

这一年,AMD和富士通先后推出了自己的NOR Flash产品。闪存芯片行业年收入达到2.95亿美元。

1993年,美国苹果公司正式推出了Newton PDA产品。它采用的,就是NOR Flash闪存。

 

 

1994年,闪迪公司第一个推出CF存储卡(Compact Flash)。当时,这种存储卡基于Nor Flash闪存技术,用于数码相机等产品。

1995年,M-Systems发布了基于NOR Flash的闪存驱动器——DiskOnChip。

1996年,东芝推出了SmartMedia卡,也称为固态软盘卡。很快,三星开始发售NAND闪存,闪迪推出了采用MLC串行NOR技术的第一张闪存卡。

1997年,手机开始配置闪存。从此,闪存继数码相机之后,又打开了一个巨大的消费级市场。

这一年,西门子和闪迪合作,使用东芝的NAND Flash技术,开发了著名的MMC卡(Multi Media Memory,多媒体内存)。

 

 

1999年8月,因为MMC可以轻松盗版音乐,东芝公司对其进行了改装,添加了加密硬件,并将其命名为SD(Secured Digital)卡。

后来,又有了MiniSD、MicroSD、MS Micro2和Micro SDHC等,相信70后和80后的小伙伴一定非常熟悉。

 

 

整个90年代末,受益于手机、数码相机、便携式摄像机、MP3播放器等消费数码产品的爆发,FLASH的市场规模迅猛提升。当时,市场一片繁荣,参与的企业也数量众多。其中,最具竞争力的,是三星、东芝、闪迪和英特尔。

2000年,M-Systems和Trek公司发布了世界上第一个商用USB闪存驱动器,也就是我们非常熟悉的U盘

 

 

它还有一个名字,叫拇指驱动器

当时,U盘的专利权比较复杂,多家公司声称拥有其专利。中国的朗科,也在1999年获得了U盘的基础性专利。

2000~2012:NAND崛起,NOR失势

90年代末,NAND Flash就已经开始崛起。进入21世纪,崛起的势头更加迅猛。

2001年,东芝与闪迪宣布推出1GB MLC NAND。闪迪自己也推出了首款NAND系统闪存产品。

2004年,NAND的价格首次基于同等密度降至DRAM之下。巨大的成本效应,开始将计算机推进闪存时代。

2007年,手机进入智能机时代,再次对闪存市场技术格局造成影响。

此前的功能机时代,手机对内存的要求不高。NOR Flash属于代码型闪存芯片,凭借NOR+PSRAM的XiP架构(XiP,Execute In Place,芯片内执行,即应用程序不必再把代码读到系统RAM中,而是可以直接在Flash闪存内运行),得到广泛应用。

进入智能机时代,有了应用商店和海量的APP,NOR Flash容量小、成本高的缺点就无法满足用户需求了。

于是,NOR Flash的市场份额开始被NAND Flash大量取代,市场不断萎缩。

2008年左右,从MMC开始发展起来的eMMC,成为智能手机存储的主流技术。

eMMC即嵌入式多媒体卡(embedded Multi Media Card),它把MMC(多媒体卡)接口、NAND及主控制器都封装在一个小型的BGA芯片中,主要是为了解决NAND品牌差异兼容性等问题,方便厂商快速简化地推出新产品。

后来,2011年,UFS(Universal Flash Storage,通用闪存存储)1.0标准诞生。UFS逐渐取代了eMMC,成为智能手机的主流存储方案。当然了,UFS也是基于NAND FLASH的。

SSD硬盘那边就更不用说了,基本上都是采用NAND芯片。

2015年左右,三星、镁光、Cypress等公司,都逐步退出了NOR Flash市场,专注在NAND Flash领域进行搏杀。

2012~现在:闪存行业的现状

市场垄断格局的形成

2011年之后,整个闪存行业动荡不安,收购事件此起彼伏。

那一时期,LSI收购Sandforce、闪迪收购IMFT、 苹果收购Anobit、Fusion-io收购IO Turbine。2016年,发生了一个更重磅的收购——西部数据收购了闪迪

通过整合并购,NAND Flash市场的玩家越来越少。

最终,形成了由三星、铠侠(东芝)、西部数据、镁光、SK 海力士、Intel等巨头为主导的集中型市场。直到现在,也是如此。

在NAND闪存市场里,这些巨头的份额加起来,超过95%。其中,三星的市场份额是最高的,到达了33-35%。

 

 

3D NAND时代的到来

正如之前DRAM那篇文章所说,到了2012年左右,随着2D工艺制程逐渐进入瓶颈,半导体开始进入了3D时代。NAND Flash这边,也是如此。

2012 年,三星正式推出了第一代 3D NAND闪存芯片。随后,闪迪、东芝、Intel、西部数据纷纷发布3D NAND产品。闪存行业正式进入3D时代。

此后,3D NAND技术不断发展,堆叠层数不断提升,容量也变得越来越大。

3D NAND存在多种路线。以三星为例,在早期的时候,三星也研究过多种3D NAND方案。最终,他们选择量产的是VG垂直栅极结构的V-NAND闪存。

目前,根据媒体的消息,三星已经完成了第八代V-NAND技术产品的开发,将采用236层3D NAND闪存芯片,单颗Die容量达1Tb,运行速度为2.4Gb/秒。

三星的市场份额最大,但他们的层数并不是最多的。

今年5月份,镁光已经宣布推出232层的3D TLC NAND闪存,并准备在2022年末开始生产。韩国的SK海力士,更是发布了238层的产品。

NOR迎来第二春

再来说说NOR Flash。

前面我们说到,NOR Flash从2005年开始逐渐被市场抛弃。

到2016年,NOR Flash市场规模算是跌入了谷底。

谁也没想到,否极泰来,这些年,NOR Flash又迎来了新的生机。

以TWS耳机为代表的可穿戴设备、手机屏幕显示的AMOLED(有源矩阵有机发光二极体面板)和TDDI(触屏)技术,以及功能越来越强大的车载电子领域,对NOR Flash产生了极大的需求,也带动了NOR Flash市场的强劲复苏。

从2016 年开始,NOR Flash市场规模逐步扩大。

受此利好影响,加上很多大厂此前已经放弃或缩减了NOR Flash规模(镁光和Cypress持续减产),所以,一些第二梯队的企业获得了机会。

其中,就包括中国台湾的旺宏、华邦,还有中国大陆的兆易创新。这三家公司的市场份额,约占26%、25%、19%,加起来的话,超过70%。

FLASH闪存的国产化

在国产化方面,NAND Flash值得一提的是长江存储

 

 

长江存储于2016年7月26日在武汉新芯集成电路制造有限公司的基础上正式成立,主要股东包括中国集成电路产业投资基金和紫光集团、湖北政府等,致力于提供3D NAND闪存设计、制造和存储器解决方案的一体化服务。

2020 年,长江存储宣布128层TLC/QLC两款产品研发成功, 且推出了致钛系列两款消费级SSD新品。

 

 

建议大家支持国产

2021年底,长江存储就已经达到了每月生产10万片晶圆的产能。截止2022年上半年,已完成架构为128层的NAND量产。

目前,长江存储正在努力挑战232层NAND,争取尽快缩小制程差距,追赶国际大厂。

NOR Flash方面,刚才已经提到了兆易创新(GigaDevice)

 

 

兆易创新成立于2005年,是一家以中国为总部的全球化芯片设计公司。2012年时,他们就是中国大陆地区最大的代码型闪存芯片本土设计企业。

目前,他们在NOR Flash领域排名世界第三。2021年,兆易创新的存储芯片出货量大约是32.88亿颗(主要是NOR Flash),位居全球第二。

结语

近年来,如大家所见,随着FLASH芯片价格的不断下降,个人家庭及企业用户开始大规模采用闪存,以及SSD硬盘。SSD硬盘的出货量,逐渐超过HDD机械硬盘。存储介质的更新换代,又进入新的高峰。

未来,闪存的市场占比将会进一步扩大。在这样的趋势下,不仅我们个人和家庭用户的存储使用体验将会变得更好,整个社会对存力的需求也可以得到进一步的满足。

半导体存储,将为全人类的数字化转型发挥更大的作用。

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