從快閃記憶體卡到SSD硬碟,儲存晶片是如何發展起來的?

上篇文章(連結),小棗君給大家詳細介紹了DRAM的滄桑往事。

DRAM屬於易失性儲存器,也就是大家常說的記憶體。今天,我們再來看看半導體儲存的另一個重要領域,也就是非易失性儲存器(也就是大家熟悉的快閃記憶體卡、隨身碟、SSD硬碟等)。

我在「半導體儲存的最強科普(連結)」那篇文章中,給大家介紹過,早期時候,儲存器分為ROM(只讀儲存器)RAM(隨機存取儲存器)。後來,才逐漸改為易失性儲存器非易失性儲存器這樣更嚴謹的稱呼方式。

這樣更嚴謹的稱呼方式

█1950s-1970s:從ROM到EEPROM

我們從最早的ROM開始說起。

ROM的準確誕生時間,在現有的資料裡都沒有詳細記載。我們只是大概知道,上世紀50年代,積體電路發明之後,就有了掩模ROM

掩模ROM,是真正的傳統ROM,全稱叫做掩模型只讀儲存器(MASK ROM)。

這種傳統ROM是直接把資訊「刻」進儲存器裡面,完全寫死,只讀,不可擦除,更不可修改。它的靈活性很差,萬一有內容寫錯了,也沒辦法糾正,只能廢棄。

後來,到了1956年,美國Bosch Arma公司的華裔科學家周文俊(Wen Tsing Chow),正式發明了PROM(Programmable ROM,可程式設計ROM)

周文俊

周文俊

當時,Bosch Arma公司帶有軍方背景,主要研究導彈、衛星和航天器制導系統。

周文俊發明的PROM,用於美國空軍洲際彈道導彈的機載數字計算機。它可以通過施加高壓脈衝,改變儲存器的物理構造,從而實現內容的一次修改(程式設計)。

後來,PROM逐漸出現在了民用領域。

一些新型的PROM,可以通過專用的設備,以電流或光照(紫外線)的方式,熔斷熔絲,達到改寫資料的效果。

這些PROM,被大量應用於遊戲機以及工業控制領域,儲存程序編碼。

1959年,貝爾實驗室的工程師Mohamed M. Atalla(默罕默德·阿塔拉,埃及裔)Dawon Kahng(姜大元,韓裔)共同發明了金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)

默罕默德·阿塔拉與姜大元

默罕默德·阿塔拉與姜大元

MOSFET發明後,被貝爾實驗室忽視。又過了很多年,1967年,姜大元與Simon Min Sze(施敏,華裔)提出,基於MOS半導體器件的浮柵,可用於可重程式設計ROM的儲存單元。

姜大元(左上)、施敏(右上),還有它們設計的浮柵架構

這是一個極為重要的發現。後來的事實證明,MOSFET是半導體儲存器儲存單元的重要基礎元件,可以說是奠基性技術。

當時,越來越多的企業(摩托羅拉、英特爾、德州儀器、AMD等)加入到半導體儲存的研究中,嘗試發明可以重複讀寫的半導體儲存,提升PROM的靈活性。

正是基於MOSFET的創想,1971年,英特爾公司的多夫·弗羅曼(Dov Frohman,以色列裔),率先發明瞭EPROM(user-erasable PROM,可擦除可程式設計只讀儲存器)。

多夫·弗羅曼

多夫·弗羅曼

EPROM可以通過暴露在強紫外線下,反覆重置到其未程式設計狀態。

同樣是1971年,英特爾推出了自己的2048位EPROM產品——C1702,採用p-MOS技術。

C1702

C1702

不久後,1972年,日本電工實驗室的Yasuo Tarui、Yutaka Hayashi和Kiyoko Naga,共同發明了EEPROM(電可擦除可程式設計ROM)

█1980~1988:FLASH快閃記憶體的誕生

從ROM發展到EEPROM之後,非易失性儲存技術並沒有停止前進的腳步。

當時,EEPROM雖然已經出現,但仍然存在一些問題。最主要的問題,就是擦除速度太慢。

1980年,改變整個行業的人終於出現了,他的名字叫舛岡富士雄(Fujio Masuoka,「舛」念chuǎn)。

舛岡富士雄

舛岡富士雄

舛岡富士雄是日本東芝(Toshiba)公司的一名工程師。他發明了一種全新的、能夠快速進行擦除操作的浮柵儲存器,也就是——「simultaneously erasable(同步可擦除) EEPROM」。

這個新型EEPROM擦除資料的速度極快,舛岡富士雄的同事根據其特點,聯想到照相機的閃光燈,於是將其取名為FLASH(快閃記憶體)

遺憾的是,舛岡富士雄發明Flash快閃記憶體後,並沒有得到東芝公司的充分重視。東芝公司給舛岡富士雄發了一筆幾百美金的獎金,然後就將這個發明束之高閣。

原因很簡單。這一時期,日本DRAM正強勢碾壓美國,所以,東芝公司想要繼續鞏固DRAM的紅利,不打算深入推進Flash產業。

1984年,舛岡富士雄在IEEE國際電子元件會議上,正式公開發表了自己的發明(NOR Flash)。

在會場上,有一家公司對他的發明產生了濃厚的興趣。這家公司,就是英特爾

英特爾非常看重FLASH技術的前景。會議結束後,他們拼命打電話給東芝,索要FLASH的樣品。收到樣品後,他們又立刻派出300多個工程師,全力研發自己的版本。

1986年,他們專門成立了研究FLASH的部門。

1988年,英特爾基於舛岡富士雄的發明,生產了第一款商用型256KB NOR Flash快閃記憶體產品,用於計算機儲存。

1987年,舛岡富士雄繼NOR Flash之後,又發明了NAND Flash。1989年,東芝終於發佈了世界上第一個NAND Flash產品。

NOR是「或非(NOT OR)」的意思,NAND是「與非(NOT AND)」的意思。這樣的命名和它們自身的基礎架構有關係。

如下圖所示,NOR Flash是把儲存單元並行連到位線上。而NAND Flash,是把儲存單元序列連在位線上。

架構對比

架構對比

NOR Flash儲存器,可以實現按位隨機訪問。而NAND Flash,只能同時對多個儲存單元同時訪問。

對於NOR Flash,如果任意一個儲存單元被相應的字線選中打開,那麼對應的位線將變為 0,這種關係和「NOR閘電路」相似。

而NAND Flash,需要使一個位線上的所有儲存單元都為 1,才能使得位線為 0,和 「NAND閘電路」相似。

看不懂?沒關係,反正記住:NAND Flash比NOR Flash成本更低。(具體區別,可以參考:關於半導體儲存的最強入門科普。)

█1988~2000:群雄並起,逐鹿Flash

FLASH(快閃記憶體)產品出現後,因為容量、性能、體積、可靠性、能耗上的優勢,獲得了使用者的認可。英特爾也憑藉其先發的快閃記憶體產品,取得了產業領先優勢,賺了不少錢。

搞笑的是,在英特爾公司取得成功後,東芝不僅沒有反省自己的失誤,反而聲稱FLASH是英特爾公司的發明,不是自家員工舛岡富士雄的發明。

直到1997年,IEEE給舛岡富士雄頒發了特殊貢獻獎,東芝才正式改口。

這把舛岡富士雄給氣得不行,後來(2006年),舛岡富士雄起訴了公司,並索要10億日元的補償。最後,他和東芝達成了和解,獲賠8700萬日元(合75.8萬美元)。

1988年,艾利·哈拉里(Eli Harari)等人,正式創辦了SanDisk公司(閃迪,當時叫做SunDisk)。

(閃迪,當時叫做SunDisk)

1989年,SunDisk公司提交了系統快閃記憶體架構專利(「System Flash」),結合嵌入式控制器、韌體和快閃記憶體來模擬磁碟儲存。這一年,英特爾開始發售512K和1MB NOR Flash。

1989年,快閃記憶體行業還有一件非常重要的事情,在以色列,有一家名叫M-Systems的公司誕生。他們首次提出了快閃記憶體檔的概念,也就是後來的快閃記憶體SSD硬碟。

進入1990年代,隨著數位相機、膝上型電腦等市場需求的爆發,FLASH技術開始大放異彩。

1991年,SunDisk公司推出了世界上首個基於FLASH快閃記憶體介質的ATA SSD固態硬碟(solid state disk),容量為20MB,尺寸為2.5英寸。

東芝也開始發力,陸續推出了全球首個4MB和16MB的NAND Flash。

1992年,英特爾佔據了FLASH市場份額的75%。排在第二位的是AMD,只佔了10%。除了他倆和閃迪之外,行業還陸續擠進了SGS-Thomson、富士通等公司,競爭開始逐漸變得日趨激烈。

這一年,AMD和富士通先後推出了自己的NOR Flash產品。快閃記憶體晶片行業年收入達到2.95億美元。

1993年,美國蘋果公司正式推出了Newton PDA產品。它採用的,就是NOR Flash快閃記憶體。

1994年,閃迪公司第一個推出

1994年,閃迪公司第一個推出CF儲存卡(Compact Flash)。當時,這種儲存卡基於Nor Flash快閃記憶體技術,用於數位相機等產品。

1995年,M-Systems發佈了基於NOR Flash的快閃記憶體驅動器——DiskOnChip。

1996年,東芝推出了SmartMedia卡,也稱為固態軟盤卡。很快,三星開始發售NAND快閃記憶體,閃迪推出了採用MLC序列NOR技術的第一張快閃記憶體卡。

1997年,手機開始配置快閃記憶體。從此,快閃記憶體繼數位相機之後,又打開了一個巨大的消費級市場。

這一年,西門子和閃迪合作,使用東芝的NAND Flash技術,開發了著名的MMC卡(Multi Media Memory,多媒體記憶體)。

1999年8月,因為MMC可以輕鬆盜版音樂,東芝公司對其進行了改裝,添加了加密硬體,並將其命名為SD(Secured Digital)卡。

後來,又有了MiniSD、MicroSD、MS Micro2和Micro SDHC等,相信70後和80後的小夥伴一定非常熟悉。

整個90年代末,受益於手機、數位相機、行動式攝像機、MP3播放器等消費數碼產品的爆發,FLASH的市場規模迅猛提升。當時,市場一片繁榮,參與的企業也數量眾多。其中,最具競爭力的,是三星、東芝、閃迪和英特爾。

2000年,M-Systems和Trek公司發佈了世界上第一個商用USB快閃記憶體驅動器,也就是我們非常熟悉的隨身碟

它還有一個名字,叫拇指驅動器

它還有一個名字,叫拇指驅動器

當時,隨身碟的專利權比較複雜,多家公司聲稱擁有其專利。中國的朗科,也在1999年獲得了隨身碟的基礎性專利。

█2000~2012:NAND崛起,NOR失勢

90年代末,NAND Flash就已經開始崛起。進入21世紀,崛起的勢頭更加迅猛。

2001年,東芝與閃迪宣佈推出1GB MLC NAND。閃迪自己也推出了首款NAND系統快閃記憶體產品。

2004年,NAND的價格首次基於同等密度降至DRAM之下。巨大的成本效應,開始將計算機推進快閃記憶體時代。

2007年,手機進入智慧機時代,再次對快閃記憶體市場技術格局造成影響。

此前的功能機時代,手機對記憶體的要求不高。NOR Flash屬於程式碼型快閃記憶體晶片,憑藉NOR+PSRAM的XiP架構(XiP,Execute In Place,晶片內執行,即應用程序不必再把程式碼讀到系統RAM中,而是可以直接在Flash快閃記憶體內運行),得到廣泛應用。

進入智慧機時代,有了應用商店和海量的APP,NOR Flash容量小、成本高的缺點就無法滿足使用者需求了。

於是,NOR Flash的市場份額開始被NAND Flash大量取代,市場不斷萎縮。

2008年左右,從MMC開始發展起來的eMMC,成為智慧手機儲存的主流技術。

eMMC即嵌入式多媒體卡(embedded Multi Media Card),它把MMC(多媒體卡)接口、NAND及主控制器都封裝在一個小型的BGA晶片中,主要是為了解決NAND品牌差異兼容性等問題,方便廠商快速簡化地推出新產品。

後來,2011年,UFS(Universal Flash Storage,通用快閃記憶體儲存)1.0標準誕生。UFS逐漸取代了eMMC,成為智慧手機的主流儲存方案。當然了,UFS也是基於NAND FLASH的。

SSD硬碟那邊就更不用說了,基本上都是採用NAND晶片。

2015年左右,三星、鎂光、Cypress等公司,都逐步退出了NOR Flash市場,專注在NAND Flash領域進行搏殺。

█2012~現在:快閃記憶體行業的現狀

  • 市場壟斷格局的形成

2011年之後,整個快閃記憶體行業動盪不安,收購事件此起彼伏。

那一時期,LSI收購Sandforce、閃迪收購IMFT、 蘋果收購Anobit、Fusion-io收購IO Turbine。2016年,發生了一個更重磅的收購——西部資料收購了閃迪

通過整合併購,NAND Flash市場的玩家越來越少。

最終,形成了由三星、鎧俠(東芝)、西部資料、鎂光、SK 海力士、Intel等巨頭為主導的集中型市場。直到現在,也是如此。

在NAND快閃記憶體市場裡,這些巨頭的份額加起來,超過95%。其中,三星的市場份額是最高的,到達了33-35%。

  • 3D NAND時代的到來

正如之前DRAM那篇文章所說,到了2012年左右,隨著2D工藝製程逐漸進入瓶頸,半導體開始進入了3D時代。NAND Flash這邊,也是如此。

2012 年,三星正式推出了第一代 3D NAND快閃記憶體晶片。隨後,閃迪、東芝、Intel、西部資料紛紛發佈3D NAND產品。快閃記憶體行業正式進入3D時代。

此後,3D NAND技術不斷發展,堆疊層數不斷提升,容量也變得越來越大。

3D NAND存在多種路線。以三星為例,在早期的時候,三星也研究過多種3D NAND方案。最終,他們選擇量產的是VG垂直柵極結構的V-NAND快閃記憶體。

目前,根據媒體的訊息,三星已經完成了第八代V-NAND技術產品的開發,將採用236層3D NAND快閃記憶體晶片,單顆Die容量達1Tb,運行速度為2.4Gb/秒。

三星的市場份額最大,但他們的層數並不是最多的。

今年5月份,鎂光已經宣佈推出232層的3D TLC NAND快閃記憶體,並準備在2022年末開始生產。韓國的SK海力士,更是發佈了238層的產品。

  • NOR迎來第二春

再來說說NOR Flash。

前面我們說到,NOR Flash從2005年開始逐漸被市場拋棄。

到2016年,NOR Flash市場規模算是跌入了谷底。

誰也沒想到,否極泰來,這些年,NOR Flash又迎來了新的生機。

以TWS耳機為代表的可穿戴設備、手機螢幕顯示的AMOLED(有源矩陣有機發光二極體面板)和TDDI(觸屏)技術,以及功能越來越強大的車載電子領域,對NOR Flash產生了極大的需求,也帶動了NOR Flash市場的強勁復甦。

從2016 年開始,NOR Flash市場規模逐步擴大。

受此利好影響,加上很多大廠此前已經放棄或縮減了NOR Flash規模(鎂光和Cypress持續減產),所以,一些第二梯隊的企業獲得了機會。

其中,就包括台灣的旺宏、華邦,還有中國的兆易創新。這三家公司的市場份額,約佔26%、25%、19%,加起來的話,超過70%。

█FLASH快閃記憶體的國產化

在國產化方面,NAND Flash值得一提的是長江儲存

長江儲存於2016年7月26日在武漢新芯積體電路製造有限公司的基礎上正式成立,主要股東包括中國積體電路產業投資基金和紫光集團、湖北政府等,致力於提供3D NAND快閃記憶體設計、製造和儲存器解決方案的一體化服務。

2020 年,長江儲存宣佈128層TLC/QLC兩款產品研發成功, 且推出了致鈦系列兩款消費級SSD新品。

建議大家支持國產

建議大家支持國產

2021年底,長江儲存就已經達到了每月生產10萬片晶圓的產能。截止2022年上半年,已完成架構為128層的NAND量產。

目前,長江儲存正在努力挑戰232層NAND,爭取儘快縮小製程差距,追趕國際大廠。

NOR Flash方面,剛才已經提到了兆易創新(GigaDevice)

兆易創新成立於2005年,是一家以中國為總部的全球化晶片設計公司。2012年時,他們就是中國最大的程式碼型快閃記憶體晶片本土設計企業。

目前,他們在NOR Flash領域排名世界第三。2021年,兆易創新的儲存晶片出貨量大約是32.88億顆(主要是NOR Flash),位居全球第二。

█結語

近年來,如大家所見,隨著FLASH晶片價格的不斷下降,個人家庭及企業使用者開始大規模採用快閃記憶體,以及SSD硬碟。SSD硬碟的出貨量,逐漸超過HDD機械硬碟。儲存介質的更新換代,又進入新的高峰。

未來,快閃記憶體的市場佔比將會進一步擴大。在這樣的趨勢下,不僅我們個人和家庭使用者的儲存使用體驗將會變得更好,整個社會對存力的需求也可以得到進一步的滿足。

半導體儲存,將為全人類的數字化轉型發揮更大的作用。

好啦,今天的文章就到這裡,感謝大家的耐心觀看!

參考資料:

1、《半導體行業儲存晶片研究框架-NOR深度報告》,方正證券;

2、《雜談快閃記憶體二:NOR和NAND Flash》,老狼,知乎;

3、《儲存技術發展歷程》,謝長生;

4、《快閃記憶體技術的50多年發展史》,儲存線上;

5、《儲存大廠又一次豪賭》,半導體行業觀察;

6、《儲存晶片行業研究報告》,國信證券;

7、《國產儲存等待一場革命》,付斌,果殼;

8、《關於半導體儲存,沒有比這篇更全的了》,芯師爺;

9、《計算機儲存歷史》,中國儲存網;

10、《3D NAND快閃記憶體層數堆疊競賽,200+層誰才是最優方案?》,快閃記憶體市場;

11、《一文看懂3D NAND Flash》,半導體行業觀察;

12、百度百科、維基百科相關詞條。

12、百度百科、維基百科相關詞條

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