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從閃存卡到SSD硬盤,存儲芯片是如何發展起來的?
發布日期:2022-10-17 點擊:47
DRAM屬于易失性存儲器,也就是大家常說的內存。今天,我們再來看看半導體存儲的另一個重要領域,也就是非易失性存儲器(也就是大家熟悉的閃存卡、U盤、SSD硬盤等)。

我在“半導體存儲的zui強科普(鏈接)”那篇文章中,給大家介紹過,早期時候,存儲器分為ROM(只讀存儲器)和RAM(隨機存取存儲器)。后來,才逐漸改為易失性存儲器和非易失性存儲器這樣更嚴謹的稱呼方式。

█1950s-1970s:從ROM到EEPROM

我們從ROM開始說起。

ROM的準確誕生時間,在現有的資料里都沒有詳細記載。我們只是大概知道,上世紀50年代,集成電路發明之后,就有了掩模ROM。

掩模ROM,是傳統ROM,全稱叫做掩模型只讀存儲器(MASK ROM)。

這種傳統ROM是直接把信息“刻”進存儲器里面,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。

后來,到了1956年,美國Bosch Arma公司的華裔科學家周文?。╓en Tsing Chow),正式發明了PROM(Programmable ROM,可編程ROM)。

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,用于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沖,改變存儲器的物理構造,從而實現內容的一次修改(編程)。

后來,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,達到改寫數據的效果。

這些PROM,被大量應用于游戲機以及工業控制領域,存儲程序編碼。

1959年,貝爾實驗室的工程師Mohamed M. Atalla(默罕默德·阿塔拉,埃及裔)與Dawon Kahng(姜大元,韓裔)共同發明了金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。

MOSFET發明后,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,基于MOS半導體器件的浮柵,可用于可重編程ROM的存儲單元。

這是一個很重要的發現。后來的事實證明,MOSFET是半導體存儲器存儲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)加入到半導體存儲的研究中,嘗試發明可以重復讀寫的半導體存儲,提升PROM的靈活性。

正是基于MOSFET的創想,1971年,英特爾公司的多夫·弗羅曼(Dov Frohman,以色列裔),率先發明了EPROM(user-erasable PROM,可擦除可編程只讀存儲器)。

EPROM可以通過暴露在強紫外線下,反復重置到其未編程狀態。

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

C1702

不久后,1972年,日本電工實驗室的Yasuo Tarui、Yutaka Hayashi和Kiyoko Naga,共同發明了EEPROM(電可擦除可編程ROM)。

█1980~1988:FLASH閃存的誕生

從ROM發展到EEPROM之后,非易失性存儲技術并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。主要的問題,就是擦除速度太慢。

1980年,改變整個行業的人終于出現了,他的名字叫舛岡富士雄(Fujio Masuoka,“舛”念chuǎn)。

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存儲器,也就是——“simultaneously erasable(同步可擦除) EEPROM”。

這個新型EEPROM擦除數據的速度很快,舛岡富士雄的同事根據其特點,聯想到照相機的閃光燈,于是將其取名為FLASH(閃存)。

遺憾的是,舛岡富士雄發明Flash閃存后,并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,然后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??粗谾LASH技術的前景。會議結束后,他們拼命打電話給東芝,索要FLASH的樣品。收到樣品后,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,英特爾基于舛岡富士雄的發明,生產了一款商用型256KB NOR Flash閃存產品,用于計算機存儲。

1987年,舛岡富士雄繼NOR Flash之后,又發明了NAND Flash。1989年,東芝終于發布了世界上一個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系。

如下圖所示,NOR Flash是把存儲單元并行連到位線上。而NAND Flash,是把存儲單元串行連在位線上。


架構對比

NOR Flash存儲器,可以實現按位隨機訪問。而NAND Flash,只能同時對多個存儲單元同時訪問。

對于NOR Flash,如果任意一個存儲單元被相應的字線選中打開,那么對應的位線將變為 0,這種關系和“NOR門電路”相似。

而NAND Flash,需要使一個位線上的所有存儲單元都為 1,才能使得位線為 0,和 “NAND門電路”相似。

看不懂?沒關系,反正記?。篘AND Flash比NOR Flash成本更低。(具體區別,可以參考:關于半導體存儲的zui強入門科普。)

█1988~2000:群雄并起,逐鹿Flash

FLASH(閃存)產品出現后,因為容量、性能、體積、可靠性、能耗上的優勢,獲得了用戶的認可。英特爾也憑借其先發的閃存產品,取得了產業優勢,賺了不少錢。

搞笑的是,在英特爾公司取得成功后,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,后來(2006年),舛岡富士雄起訴了公司,并索要10億日元的補償。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)。


1989年,SunDisk公司提交了系統閃存架構專利(“System Flash”),結合嵌入式控制器、固件和閃存來模擬磁盤存儲。這一年,英特爾開始發售512K和1MB NOR Flash。

1989年,閃存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。他們提出了閃存盤的概念,也就是后來的閃存SSD硬盤。

進入1990年代,隨著數碼相機、筆記本電腦等市場需求的爆發,FLASH技術開始大放異彩。

1991年,SunDisk公司推出了世界上基于FLASH閃存介質的ATA SSD固態硬盤(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4MB和16MB的NAND Flash。

1992年,英特爾占據了FLASH市場份額的75%。排在di二位的是AMD,只占了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和富士通先后推出了自己的NOR Flash產品。閃存芯片行業年收入達到2.95億美元。

1993年,美國蘋果公司正式推出了Newton PDA產品。它采用的,就是NOR Flash閃存。

1994年,閃迪公司di一個推出CF存儲卡(Compact Flash)。當時,這種存儲卡基于Nor Flash閃存技術,用于數碼相機等產品。

1995年,M-Systems發布了基于NOR Flash的閃存驅動器——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閃存,閃迪推出了采用MLC串行NOR技術的張閃存卡。

1997年,手機開始配置閃存。從此,閃存繼數碼相機之后,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,開發了有名的MMC卡(Multi Media Memory,多媒體內存)。

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

后來,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。

整個90年代末,受益于手機、數碼相機、便攜式攝像機、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,具競爭力的,是三星、東芝、閃迪和英特爾。

2000年,M-Systems和Trek公司發布了世界上di一個商用USB閃存驅動器,也就是我們非常熟悉的U盤。

它還有一個名字,叫拇指驅動器

當時,U盤的專利權比較復雜,多家公司聲稱擁有其專利。中國的朗科,也在1999年獲得了U盤的基礎性專利。

█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,東芝與閃迪宣布推出1GB MLC NAND。閃迪自己也推出了NAND系統閃存產品。

2004年,NAND的價格基于同等密度降至DRAM之下。巨大的成本效應,開始將計算機推進閃存時代。

2007年,手機進入智能機時代,再次對閃存市場技術格局造成影響。

此前的功能機時代,手機對內存的要求不高。NOR Flash屬于代碼型閃存芯片,憑借NOR+PSRAM的XiP架構(XiP,Execute In Place,芯片內執行,即應用程序不必再把代碼讀到系統RAM中,而是可以直接在Flash閃存內運行),得到廣泛應用。

進入智能機時代,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用戶需求了。

于是,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,成為智能手機存儲的主流技術。

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芯片中,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。

后來,2011年,UFS(Universal Flash Storage,通用閃存存儲)1.0標準誕生。UFS逐漸取代了eMMC,成為智能手機的主流存儲方案。當然了,UFS也是基于NAND FLASH的。

SSD硬盤那邊就更不用說了,基本上都是采用NAND芯片。

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:閃存行業的現狀

市場壟斷格局的形成

2011年之后,整個閃存行業動蕩不安,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——西部數據收購了閃迪。

通過整合并購,NAND Flash市場的玩家越來越少。

形成了由三星、鎧俠(東芝)、西部數據、鎂光、SK 海力士、Intel等巨頭的集中型市場。直到現在,也是如此。

在NAND閃存市場里,這些巨頭的份額加起來,超過95%。其中,三星的市場份額是高的,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工藝制程逐漸進入瓶頸,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di一代 3D NAND閃存芯片。隨后,閃迪、東芝、Intel、西部數據紛紛發布3D NAND產品。閃存行業正式進入3D時代。

此后,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。他們選擇量產的是VG垂直柵極結構的V-NAND閃存。

目前,根據媒體的消息,三星已經完成了第八代V-NAND技術產品的開發,將采用236層3D NAND閃存芯片,單顆Die容量達1Tb,運行速度為2.4Gb/秒。

三星的市場份額大,但他們的層數并不是多的。

今年5月份,鎂光已經宣布推出232層的3D TLC NAND閃存,并準備在2022年末開始生產。韓國的SK海力士,更是發布了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、手機屏幕顯示的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產生了很大的需求,也帶動了NOR Flash市場的強勁復蘇。

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,就包括中國臺灣的旺宏、華邦,還有中國大陸的兆易創新。這三家公司的市場份額,約占26%、25%、19%,加起來的話,超過70%。

█FLASH閃存的國產化

在國產化方面,NAND Flash值得一提的是長江存儲。



長江存儲于2016年7月26日在武漢新芯集成電路制造有限公司的基礎上正式成立,主要股東包括中國集成電路產業投資基金和紫光集團、湖北政府等,致力于提供3D NAND閃存設計、制造和存儲器解決方案的一體化服務。

2020 年,長江存儲宣布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

2021年底,長江存儲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,長江存儲正在努力挑戰232層NAND,爭取盡快縮小制程差距,追趕國際大廠。

NOR Flash方面,剛才已經提到了兆易創新(GigaDevice)。


兆易創新成立于2005年,是一家以中國為總部的全球化芯片設計公司。2012年時,他們就是中國大陸地區大的代碼型閃存芯片本土設計企業。

目前,他們在NOR Flash領域排名世界第三。2021年,兆易創新的存儲芯片出貨量大約是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芯片價格的不斷下降,個人家庭及企業用戶開始大規模采用閃存,以及SSD硬盤。SSD硬盤的出貨量,逐漸超過HDD機械硬盤。存儲介質的更新換代,又進入新的高峰。

未來,閃存的市場占比將會進一步擴大。在這樣的趨勢下,不僅我們個人和家庭用戶的存儲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。

半導體存儲,將為全人類的數字化轉型發揮更大的作用。

好啦,今天的文章就到這里,感謝大家的耐心觀看!
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