DRAM屬于易失性存儲(chǔ)器，也就是大家常說(shuō)的內(nèi)存。今天，我們?cè)賮?lái)看看半導(dǎo)體存儲(chǔ)的另一個(gè)重要領(lǐng)域，也就是非易失性存儲(chǔ)器（也就是大家熟悉的閃存卡、U盤(pán)、SSD硬盤(pán)等）。

我在“半導(dǎo)體存儲(chǔ)的最強(qiáng)科普（鏈接）”那篇文章中，給大家介紹過(guò)，早期時(shí)候，存儲(chǔ)器分為ROM（只讀存儲(chǔ)器）和RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）。后來(lái)，才逐漸改為易失性存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)器這樣更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆Q(chēng)呼方式。

█ 1950s-1970s：從ROM到EEPROM

我們從最早的ROM開(kāi)始說(shuō)起。

ROM的準(zhǔn)確誕生時(shí)間，在現(xiàn)有的資料里都沒(méi)有詳細(xì)記載。我們只是大概知道，上世紀(jì)50年代，集成電路發(fā)明之后，就有了掩模ROM。

掩模ROM，是真正的傳統(tǒng)ROM，全稱(chēng)叫做掩模型只讀存儲(chǔ)器（MASK ROM）。

這種傳統(tǒng)ROM是直接把信息“刻”進(jìn)存儲(chǔ)器里面，完全寫(xiě)死，只讀，不可擦除，更不可修改。它的靈活性很差，萬(wàn)一有內(nèi)容寫(xiě)錯(cuò)了，也沒(méi)辦法糾正，只能廢棄。

后來(lái)，到了1956年，美國(guó)Bosch Arma公司的華裔科學(xué)家周文俊（Wen Tsing Chow），正式發(fā)明了PROM（Programmable ROM，可編程ROM）。

當(dāng)時(shí)，Bosch Arma公司帶有軍方背景，主要研究導(dǎo)彈、衛(wèi)星和航天器制導(dǎo)系統(tǒng)。

周文俊發(fā)明的PROM，用于美國(guó)空軍洲際彈道導(dǎo)彈的機(jī)載數(shù)字計(jì)算機(jī)。它可以通過(guò)施加高壓脈沖，改變存儲(chǔ)器的物理構(gòu)造，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的一次修改（編程）。

后來(lái)，PROM逐漸出現(xiàn)在了民用領(lǐng)域。

一些新型的PROM，可以通過(guò)專(zhuān)用的設(shè)備，以電流或光照（紫外線(xiàn)）的方式，熔斷熔絲，達(dá)到改寫(xiě)數(shù)據(jù)的效果。

這些PROM，被大量應(yīng)用于游戲機(jī)以及工業(yè)控制領(lǐng)域，存儲(chǔ)程序編碼。

1959年，貝爾實(shí)驗(yàn)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(fā)明了金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）。

MOSFET發(fā)明后，被貝爾實(shí)驗(yàn)室忽視。又過(guò)了很多年，1967年，姜大元與Simon?Min Sze（施敏，華裔）提出，基于MOS半導(dǎo)體器件的浮柵，可用于可重編程ROM的存儲(chǔ)單元。

姜大元（左上）、施敏（右上），還有它們?cè)O(shè)計(jì)的浮柵架構(gòu)

這是一個(gè)極為重要的發(fā)現(xiàn)。后來(lái)的事實(shí)證明，MOSFET是半導(dǎo)體存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元的重要基礎(chǔ)元件，可以說(shuō)是奠基性技術(shù)。

當(dāng)時(shí)，越來(lái)越多的企業(yè)（摩托羅拉、英特爾、德州儀器、AMD等）加入到半導(dǎo)體存儲(chǔ)的研究中，嘗試發(fā)明可以重復(fù)讀寫(xiě)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)，提升PROM的靈活性。

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

EPROM可以通過(guò)暴露在強(qiáng)紫外線(xiàn)下，反復(fù)重置到其未編程狀態(tài)。

同樣是1971年，英特爾推出了自己的2048位EPROM產(chǎn)品——C1702，采用p-MOS技術(shù)。

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

█?1980~1988：FLASH閃存的誕生

從ROM發(fā)展到EEPROM之后，非易失性存儲(chǔ)技術(shù)并沒(méi)有停止前進(jìn)的腳步。

當(dāng)時(shí)，EEPROM雖然已經(jīng)出現(xiàn)，但仍然存在一些問(wèn)題。最主要的問(wèn)題，就是擦除速度太慢。

1980年，改變整個(gè)行業(yè)的人終于出現(xiàn)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(fā)明了一種全新的、能夠快速進(jìn)行擦除操作的浮柵存儲(chǔ)器，也就是——“simultaneously erasable（同步可擦除） EEPROM”。

這個(gè)新型EEPROM擦除數(shù)據(jù)的速度極快，舛岡富士雄的同事根據(jù)其特點(diǎn)，聯(lián)想到照相機(jī)的閃光燈，于是將其取名為FLASH（閃存）。

遺憾的是，舛岡富士雄發(fā)明Flash閃存后，并沒(méi)有得到東芝公司的充分重視。東芝公司給舛岡富士雄發(fā)了一筆幾百美金的獎(jiǎng)金，然后就將這個(gè)發(fā)明束之高閣。

原因很簡(jiǎn)單。這一時(shí)期，日本DRAM正強(qiáng)勢(shì)碾壓美國(guó)，所以，東芝公司想要繼續(xù)鞏固DRAM的紅利，不打算深入推進(jìn)Flash產(chǎn)業(yè)。

1984年，舛岡富士雄在IEEE國(guó)際電子元件會(huì)議上，正式公開(kāi)發(fā)表了自己的發(fā)明（NOR Flash）。

在會(huì)場(chǎng)上，有一家公司對(duì)他的發(fā)明產(chǎn)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(shù)的前景。會(huì)議結(jié)束后，他們拼命打電話(huà)給東芝，索要FLASH的樣品。收到樣品后，他們又立刻派出300多個(gè)工程師，全力研發(fā)自己的版本。

1986年，他們專(zhuān)門(mén)成立了研究FLASH的部門(mén)。

1988年，英特爾基于舛岡富士雄的發(fā)明，生產(chǎn)了第一款商用型256KB NOR Flash閃存產(chǎn)品，用于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)。

1987年，舛岡富士雄繼NOR Flash之后，又發(fā)明了NAND Flash。1989年，東芝終于發(fā)布了世界上第一個(gè)NAND Flash產(chǎn)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(chǔ)架構(gòu)有關(guān)系。

如下圖所示，NOR Flash是把存儲(chǔ)單元并行連到位線(xiàn)上。而NAND Flash，是把存儲(chǔ)單元串行連在位線(xiàn)上。 ?



架構(gòu)對(duì)比 ? ?

NOR Flash存儲(chǔ)器，可以實(shí)現(xiàn)按位隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)。而NAND Flash，只能同時(shí)對(duì)多個(gè)存儲(chǔ)單元同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)。

對(duì)于NOR Flash，如果任意一個(gè)存儲(chǔ)單元被相應(yīng)的字線(xiàn)選中打開(kāi)，那么對(duì)應(yīng)的位線(xiàn)將變?yōu)?0，這種關(guān)系和“NOR門(mén)電路”相似。 ?

而NAND Flash，需要使一個(gè)位線(xiàn)上的所有存儲(chǔ)單元都為 1，才能使得位線(xiàn)為 0，和 “NAND門(mén)電路”相似。 ?

看不懂？沒(méi)關(guān)系，反正記?。篘AND Flash比NOR Flash成本更低。

█?1988~2000：群雄并起，逐鹿Flash

FLASH（閃存）產(chǎn)品出現(xiàn)后，因?yàn)槿萘俊⑿阅?、體積、可靠性、能耗上的優(yōu)勢(shì)，獲得了用戶(hù)的認(rèn)可。英特爾也憑借其先發(fā)的閃存產(chǎn)品，取得了產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，賺了不少錢(qián)。

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

直到1997年，IEEE給舛岡富士雄頒發(fā)了特殊貢獻(xiàn)獎(jiǎng)，東芝才正式改口。

這把舛岡富士雄給氣得不行，后來(lái)（2006年），舛岡富士雄起訴了公司，并索要10億日元的補(bǔ)償。最后，他和東芝達(dá)成了和解，獲賠8700萬(wàn)日元（合75.8萬(wàn)美元）。

1988年，艾利·哈拉里（Eli Harari）等人，正式創(chuàng)辦了SanDisk公司（閃迪，當(dāng)時(shí)叫做SunDisk）。

1989年，SunDisk公司提交了系統(tǒng)閃存架構(gòu)專(zhuān)利（“System Flash”），結(jié)合嵌入式控制器、固件和閃存來(lái)模擬磁盤(pán)存儲(chǔ)。這一年，英特爾開(kāi)始發(fā)售512K和1MB NOR Flash。

1989年，閃存行業(yè)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。他們首次提出了閃存盤(pán)的概念，也就是后來(lái)的閃存SSD硬盤(pán)。

進(jìn)入1990年代，隨著數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦等市場(chǎng)需求的爆發(fā)，F(xiàn)LASH技術(shù)開(kāi)始大放異彩。

1991年，SunDisk公司推出了世界上首個(gè)基于FLASH閃存介質(zhì)的ATA SSD固態(tài)硬盤(pán)（solid state disk），容量為20MB，尺寸為2.5英寸。

東芝也開(kāi)始發(fā)力，陸續(xù)推出了全球首個(gè)4MB和16MB的NAND Flash。

1992年，英特爾占據(jù)了FLASH市場(chǎng)份額的75%。排在第二位的是AMD，只占了10%。除了他倆和閃迪之外，行業(yè)還陸續(xù)擠進(jìn)了SGS-Thomson、富士通等公司，競(jìng)爭(zhēng)開(kāi)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(chǎn)品。閃存芯片行業(yè)年收入達(dá)到2.95億美元。

1993年，美國(guó)蘋(píng)果公司正式推出了Newton PDA產(chǎn)品。它采用的，就是NOR Flash閃存。

1994年，閃迪公司第一個(gè)推出CF存儲(chǔ)卡（Compact Flash）。當(dāng)時(shí)，這種存儲(chǔ)卡基于Nor Flash閃存技術(shù)，用于數(shù)碼相機(jī)等產(chǎn)品。

1995年，M-Systems發(fā)布了基于NOR Flash的閃存驅(qū)動(dòng)器——DiskOnChip。

1996年，東芝推出了SmartMedia卡，也稱(chēng)為固態(tài)軟盤(pán)卡。很快，三星開(kāi)始發(fā)售NAND閃存，閃迪推出了采用MLC串行NOR技術(shù)的第一張閃存卡。

1997年，手機(jī)開(kāi)始配置閃存。從此，閃存繼數(shù)碼相機(jī)之后，又打開(kāi)了一個(gè)巨大的消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)。

這一年，西門(mén)子和閃迪合作，使用東芝的NAND Flash技術(shù)，開(kāi)發(fā)了著名的MMC卡（Multi Media Memory，多媒體內(nèi)存）。

1999年8月，因?yàn)镸MC可以輕松盜版音樂(lè)，東芝公司對(duì)其進(jìn)行了改裝，添加了加密硬件，并將其命名為SD（Secured Digital）卡。

后來(lái)，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(gè)90年代末，受益于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、便攜式攝像機(jī)、MP3播放器等消費(fèi)數(shù)碼產(chǎn)品的爆發(fā)，F(xiàn)LASH的市場(chǎng)規(guī)模迅猛提升。當(dāng)時(shí)，市場(chǎng)一片繁榮，參與的企業(yè)也數(shù)量眾多。其中，最具競(jìng)爭(zhēng)力的，是三星、東芝、閃迪和英特爾。

2000年，M-Systems和Trek公司發(fā)布了世界上第一個(gè)商用USB閃存驅(qū)動(dòng)器，也就是我們非常熟悉的U盤(pán)。

它還有一個(gè)名字，叫拇指驅(qū)動(dòng)器

當(dāng)時(shí)，U盤(pán)的專(zhuān)利權(quán)比較復(fù)雜，多家公司聲稱(chēng)擁有其專(zhuān)利。中國(guó)的朗科，也在1999年獲得了U盤(pán)的基礎(chǔ)性專(zhuān)利。

█?2000~2012：NAND崛起，NOR失勢(shì)

90年代末，NAND Flash就已經(jīng)開(kāi)始崛起。進(jìn)入21世紀(jì)，崛起的勢(shì)頭更加迅猛。

2001年，東芝與閃迪宣布推出1GB MLC NAND。閃迪自己也推出了首款NAND系統(tǒng)閃存產(chǎn)品。

2004年，NAND的價(jià)格首次基于同等密度降至DRAM之下。巨大的成本效應(yīng)，開(kāi)始將計(jì)算機(jī)推進(jìn)閃存時(shí)代。

2007年，手機(jī)進(jìn)入智能機(jī)時(shí)代，再次對(duì)閃存市場(chǎng)技術(shù)格局造成影響。

此前的功能機(jī)時(shí)代，手機(jī)對(duì)內(nèi)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(gòu)（XiP，Execute In Place，芯片內(nèi)執(zhí)行，即應(yīng)用程序不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中，而是可以直接在Flash閃存內(nèi)運(yùn)行），得到廣泛應(yīng)用。

進(jìn)入智能機(jī)時(shí)代，有了應(yīng)用商店和海量的APP，NOR Flash容量小、成本高的缺點(diǎn)就無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)需求了。

于是，NOR Flash的市場(chǎng)份額開(kāi)始被NAND Flash大量取代，市場(chǎng)不斷萎縮。

2008年左右，從MMC開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的eMMC，成為智能手機(jī)存儲(chǔ)的主流技術(shù)。

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(gè)小型的BGA芯片中，主要是為了解決NAND品牌差異兼容性等問(wèn)題，方便廠商快速簡(jiǎn)化地推出新產(chǎn)品。

后來(lái)，2011年，UFS（Universal Flash Storage，通用閃存存儲(chǔ)）1.0標(biāo)準(zhǔn)誕生。UFS逐漸取代了eMMC，成為智能手機(jī)的主流存儲(chǔ)方案。當(dāng)然了，UFS也是基于NAND FLASH的。

SSD硬盤(pán)那邊就更不用說(shuō)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(chǎng)，專(zhuān)注在NAND Flash領(lǐng)域進(jìn)行搏殺。

█?2012~現(xiàn)在：閃存行業(yè)的現(xiàn)狀

市場(chǎng)壟斷格局的形成

2011年之后，整個(gè)閃存行業(yè)動(dòng)蕩不安，收購(gòu)事件此起彼伏。

那一時(shí)期，LSI收購(gòu)Sandforce、閃迪收購(gòu)IMFT、 蘋(píng)果收購(gòu)Anobit、Fusion-io收購(gòu)IO Turbine。2016年，發(fā)生了一個(gè)更重磅的收購(gòu)——西部數(shù)據(jù)收購(gòu)了閃迪。

通過(guò)整合并購(gòu)，NAND Flash市場(chǎng)的玩家越來(lái)越少。

最終，形成了由三星、鎧俠（東芝）、西部數(shù)據(jù)、鎂光、SK 海力士、Intel等巨頭為主導(dǎo)的集中型市場(chǎng)。直到現(xiàn)在，也是如此。

在NAND閃存市場(chǎng)里，這些巨頭的份額加起來(lái)，超過(guò)95%。其中，三星的市場(chǎng)份額是最高的，到達(dá)了33-35%。

3D NAND時(shí)代的到來(lái)

正如之前DRAM那篇文章所說(shuō)，到了2012年左右，隨著2D工藝制程逐漸進(jìn)入瓶頸，半導(dǎo)體開(kāi)始進(jìn)入了3D時(shí)代。NAND Flash這邊，也是如此。

2012 年，三星正式推出了第一代 3D NAND閃存芯片。隨后，閃迪、東芝、Intel、西部數(shù)據(jù)紛紛發(fā)布3D NAND產(chǎn)品。閃存行業(yè)正式進(jìn)入3D時(shí)代。

此后，3D NAND技術(shù)不斷發(fā)展，堆疊層數(shù)不斷提升，容量也變得越來(lái)越大。

3D NAND存在多種路線(xiàn)。以三星為例，在早期的時(shí)候，三星也研究過(guò)多種3D NAND方案。最終，他們選擇量產(chǎn)的是VG垂直柵極結(jié)構(gòu)的V-NAND閃存。

目前，根據(jù)媒體的消息，三星已經(jīng)完成了第八代V-NAND技術(shù)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，將采用236層3D NAND閃存芯片，單顆Die容量達(dá)1Tb，運(yùn)行速度為2.4Gb/秒。

三星的市場(chǎng)份額最大，但他們的層數(shù)并不是最多的。

今年5月份，鎂光已經(jīng)宣布推出232層的3D TLC NAND閃存，并準(zhǔn)備在2022年末開(kāi)始生產(chǎn)。韓國(guó)的SK海力士，更是發(fā)布了238層的產(chǎn)品。

NOR迎來(lái)第二春

再來(lái)說(shuō)說(shuō)NOR Flash。

前面我們說(shuō)到，NOR Flash從2005年開(kāi)始逐漸被市場(chǎng)拋棄。

到2016年，NOR Flash市場(chǎng)規(guī)模算是跌入了谷底。

誰(shuí)也沒(méi)想到，否極泰來(lái)，這些年，NOR Flash又迎來(lái)了新的生機(jī)。

以TWS耳機(jī)為代表的可穿戴設(shè)備、手機(jī)屏幕顯示的AMOLED（有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極體面板）和TDDI（觸屏）技術(shù)，以及功能越來(lái)越強(qiáng)大的車(chē)載電子領(lǐng)域，對(duì)NOR Flash產(chǎn)生了極大的需求，也帶動(dòng)了NOR Flash市場(chǎng)的強(qiáng)勁復(fù)蘇。

從2016 年開(kāi)始，NOR Flash市場(chǎng)規(guī)模逐步擴(kuò)大。

受此利好影響，加上很多大廠此前已經(jīng)放棄或縮減了NOR Flash規(guī)模（鎂光和Cypress持續(xù)減產(chǎn)），所以，一些第二梯隊(duì)的企業(yè)獲得了機(jī)會(huì)。

其中，就包括中國(guó)臺(tái)灣的旺宏、華邦，還有中國(guó)大陸的兆易創(chuàng)新。這三家公司的市場(chǎng)份額，約占26%、25%、19%，加起來(lái)的話(huà)，超過(guò)70%。

█?FLASH閃存的國(guó)產(chǎn)化

在國(guó)產(chǎn)化方面，NAND Flash值得一提的是長(zhǎng)江存儲(chǔ)。

長(zhǎng)江存儲(chǔ)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(chǔ)上正式成立，主要股東包括中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金和紫光集團(tuán)、湖北政府等，致力于提供3D NAND閃存設(shè)計(jì)、制造和存儲(chǔ)器解決方案的一體化服務(wù)。

2020 年，長(zhǎng)江存儲(chǔ)宣布128層TLC/QLC兩款產(chǎn)品研發(fā)成功，?且推出了致鈦系列兩款消費(fèi)級(jí)SSD新品。

2021年底，長(zhǎng)江存儲(chǔ)就已經(jīng)達(dá)到了每月生產(chǎn)10萬(wàn)片晶圓的產(chǎn)能。截止2022年上半年，已完成架構(gòu)為128層的NAND量產(chǎn)。

目前，長(zhǎng)江存儲(chǔ)正在努力挑戰(zhàn)232層NAND，爭(zhēng)取盡快縮小制程差距，追趕國(guó)際大廠。

NOR?Flash方面，剛才已經(jīng)提到了兆易創(chuàng)新（GigaDevice）。

兆易創(chuàng)新成立于2005年，是一家以中國(guó)為總部的全球化芯片設(shè)計(jì)公司。2012年時(shí)，他們就是中國(guó)大陸地區(qū)最大的代碼型閃存芯片本土設(shè)計(jì)企業(yè)。

目前，他們?cè)贜OR Flash領(lǐng)域排名世界第三。2021年，兆易創(chuàng)新的存儲(chǔ)芯片出貨量大約是32.88億顆（主要是NOR Flash），位居全球第二。

█?結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，如大家所見(jiàn)，隨著FLASH芯片價(jià)格的不斷下降，個(gè)人家庭及企業(yè)用戶(hù)開(kāi)始大規(guī)模采用閃存，以及SSD硬盤(pán)。SSD硬盤(pán)的出貨量，逐漸超過(guò)HDD機(jī)械硬盤(pán)。存儲(chǔ)介質(zhì)的更新?lián)Q代，又進(jìn)入新的高峰。

未來(lái)，閃存的市場(chǎng)占比將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。在這樣的趨勢(shì)下，不僅我們個(gè)人和家庭用戶(hù)的存儲(chǔ)使用體驗(yàn)將會(huì)變得更好，整個(gè)社會(huì)對(duì)存力的需求也可以得到進(jìn)一步的滿(mǎn)足。

半導(dǎo)體存儲(chǔ)，將為全人類(lèi)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)揮更大的作用。

審核編輯：劉清