从闪存卡到SSD硬盘存储芯片是若何成长起来的？_闪存_东芝

DRAM属于易失落性存储器，也便是大家常说的内存。
本日，我们再来看看半导体存储的另一个主要领域，也就是非易失落性存储器（也便是大家熟习的闪存卡、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，给大家先容过，早期时候，存储器分为ROM（只读存储器）和RAM（随机存取存储器）。
后来，才逐渐改为易失落性存储器和非易失落性存储器这样更严谨的称呼办法。

█ 1950s-1970s：从ROM到EEPROM

我们从最早的ROM开始提及。

ROM的准确出身韶光，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，完备写去世，只读，不可擦除，更不可修正。
它的灵巧性很差，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，紧张研究导弹、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打算机。
它可以通过施加高压脉冲，改变存储器的物理布局，从而实现内容的一次修正（编程）。

后来，PROM逐渐涌如今了民用领域。

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

这些PROM，被大量运用于游戏机以及工业掌握领域，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）与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，被贝尔实验室忽略。
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），还有他们设计的浮栅架构

这是一个极为主要的创造。
后来的事实证明，MOSFET是半导体存储器存储单元的主要根本元件，可以说是奠基性技能。

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，考试测验发明可以重复读写的半导体存储，提升PROM的灵巧性。

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，采取p-MOS技能。

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闪存的出身

从ROM发展到EEPROM之后，非易失落性存储技能并没有停滞提高的脚步。

当时，EEPROM虽然已经涌现，但仍旧存在一些问题。
最紧张的问题，便是擦除速率太慢。

1980年，改变全体行业的人终于涌现了，他的名字叫舛冈富士雄（Fujio Masuoka，“舛”念chuǎn）。

舛冈富士雄

舛冈富士雄这天本东芝（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，也便是——“simultaneously erasable（同步可擦除） EEPROM”。

这个新型EEPROM擦除数据的速率极快，舛冈富士雄的同事根据其特点，遐想到摄影机的闪光灯，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。

缘故原由很大略。
这一期间，日本DRAM正强势碾压美国，以是，东芝公司想要连续巩固DRAM的红利，不打算深入推进Flash家当。

1984年，舛冈富士雄在IEEE国际电子元件会议上，正式公开拓表了自己的发明（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，便是英特尔。

英特尔非常看重FLASH技能的前景。
会议结束后，他们冒死打电话给东芝，索要FLASH的样品。
收到样品后，他们又急速派出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，用于打算机存储。

1987年，舛冈富士雄继NOR Flash之后，又发明了NAND Flash。
1989年，东芝终于发布了天下上第一个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根本架构有关系。

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。

架构比拟

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。

对付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，须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？没紧要，反正记住：NAND Flash比NOR Flash本钱更低。
（详细差异，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）产品涌现后，由于容量、性能、体积、可靠性、能耗上的上风，得到了用户的认可。
英特尔也凭借其先发的闪存产品，取得了家当领先上风，赚了不少钱。

搞笑的是，在英特尔公司取获胜利后，东芝不仅没有反省自己的失落误，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分外贡献奖，东芝才正式改口。

这把舛冈富士雄给气得弗成，后来（2006年），舛冈富士雄起诉了公司，并索要10亿日元的补偿。
末了，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”），结合嵌入式掌握器、固件和闪存来仿照磁盘存储。
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主要的事情，在以色列，有一家名叫M-Systems的公司出身。
他们首次提出了闪存盘的观点，也便是后来的闪存SSD硬盘。

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

1991年，SunDisk公司推出了天下上首个基于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，陆续推出了环球首个4MB和16MB的NAND Flash。

1992年，英特尔霸占了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。
它采取的，便是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闪存技能，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，闪迪推出了采取MLC串行NOR技能的第一张闪存卡。

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，西门子和闪迪互助，利用东芝的NAND Flash技能，开拓了著名的MMC卡（Multi Media Memory，多媒体内存）。

1999年8月，由于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习。

全体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，参与的企业也数量浩瀚。
个中，最具竞争力的，是三星、东芝、闪迪和英特尔。

2000年，M-Systems和Trek公司发布了天下上第一个商用USB闪存驱动器，也便是我们非常熟习的U盘。

它还有一个名字，叫拇指驱动器

当时，U盘的专利权比较繁芜，多家公司声称拥有其专利。
中国的朗科，也在1999年得到了U盘的根本性专利。

█ 2000~2012：NAND崛起，NOR失落势

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，东芝与闪迪宣告推出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。
巨大的本钱效应，开始将打算机推进闪存时期。

2007年，手机进入智能机时期，再次对闪存市场技能格局造成影响。

此前的功能机时期，手机对内存的哀求不高。
NOR Flash属于代码型闪存芯片，凭借NOR+PSRAM的XiP架构（XiP，Execute In Place，芯片内实行，即运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），得到广泛运用。

进入智能机时期，有了运用商店和海量的APP，NOR Flash容量小、本钱高的缺陷就无法知足用户需求了。

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年旁边，从MMC开始发展起来的eMMC，成为智好手机存储的主流技能。

eMMC即嵌入式多媒体卡（embedded Multi Media Card），它把MMC（多媒体卡）接口、NAND及主掌握器都封装在一个小型的BGA芯片中，紧张是为理解决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标准出身。
UFS逐渐取代了eMMC，成为智好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，基本上都是采取NAND芯片。

2015年旁边，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，全体闪存行业动荡不安，收购事宜此起彼伏。

那一期间，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。

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

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

正如之前DRAM那篇文章所说，到了2012年旁边，随着2D工艺制程逐渐进入瓶颈，半导体开始进入了3D时期。
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、西部数据纷纭发布3D NAND产品。
闪存行业正式进入3D时期。

此后，3D NAND技能不断发展，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。
终极，他们选择量产的是VG垂直栅极构造的V-NAND闪存。

目前，根据媒体的，三星已经完成了第八代V-NAND技能产品的开拓，将采取236层3D NAND闪存芯片，单颗Die容量达1Tb，运行速率为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，镁光已经宣告推出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又迎来了新的活气。

以TWS耳机为代表的可穿着设备、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）技能，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），以是，一些第二梯队的企业得到了机会。

个中，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根本上正式成立，紧张股东包括中国集成电路家当投资基金和紫光集团、湖北政府等，致力于供应3D NAND闪存设计、制造和存储器办理方案的一体化做事。

2020 年，长江存储宣告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。

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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，长江存储正在努力寻衅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环球化芯片设计公司。
2012年时，他们便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领域排名天下第三。
2021年，兆易创新的存储芯片出货量大约是32.88亿颗（紧张是NOR Flash），位居环球第二。

█ 结语

近年来，如大家所见，随着FLASH芯片价格的不断低落，个人家庭及企业用户开始大规模采取闪存，以及SSD硬盘。
SSD硬盘的出货量，逐渐超过HDD机器硬盘。
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利用体验将会变得更好，全体社会对存力的需求也可以得到进一步的知足。

半导体存储，将为全人类的数字化转型发挥更大的浸染。

好啦，本日的文章就到这里，感谢大家的耐心不雅观看！

参考资料：

1、《半导体行业存储芯片研究框架-NOR深度报告》，方正证券；

2、《杂谈闪存二：NOR和NAND Flash》，老狼，知乎；

3、《存储技能发展进程》，谢永生；

4、《闪存技能的50多年景长史》，存储在线；

5、《存储大厂又一次豪赌》，半导体行业不雅观察；

6、《存储芯片行业研究报告》，国信证券；

7、《国产存储等待一场革命》，付斌，果壳；

8、《关于半导体存储，没有比这篇更全的了》，芯师爷；

9、《打算机存储历史》，中国存储网；10、《3D NAND闪存层数堆叠竞赛，200+层谁才是最优方案？》，闪存市场；

11、《一文看懂3D NAND Flash》，半导体行业不雅观察；

12、百度百科、维基百科干系词条。