从闪存卡到 SSD 硬盘，存储芯片是如何发展起来的？

上篇文章（链接），小枣君给大家详细介绍了 DRAM 的沧桑往事。

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。

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。

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。（具体区别，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。

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。

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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。

好啦，今天的文章就到这里，感谢大家的耐心观看！

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、《存储技术发展历程》，谢长生；

• 4、《闪存技术的 50 多年发展史》，存储在线；

• 5、《存储大厂又一次豪赌》，半导体行业观察；

• 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、《计算机存储历史》，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》，半导体行业观察；

• 12、百度百科、维基百科相关词条。

本文来自微信公众号：鲜枣课堂 （ID：xzclasscom），作者：小枣君

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