非易失性存储器是如何发展起来的？

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）和RAM（随机存取存储器）。后来，才逐渐改为易失性存储器和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）。

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）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）。

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）。

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。

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。

█ 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。

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。

审核编辑：刘清