35年技术积累 闪存搭电脑、相机东风成为市场主流

35年技术积累 闪存搭电脑、相机东风成为市场主流

Napoleon Chan / 2022-08-09 15:17:32184809

在今天,我们生活已经离不开闪存,无论是电脑、笔记本电脑里的固态硬盘,还是手机、智能手表的ROM,本质都是闪存存储器。不过闪存从诞生到今天普及并非一帆风顺的,它经过多次技术迭代才有今天的局面,那它到底如何发展成今天的主流存储器的呢?

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 用芯片存储数据

说到计算机存储历史,相信很多人会首先想到的是IBM在1956年制造了第一块硬盘350RAMAC,它使用了50片直径为24英寸的磁盘实现了5MB的存储空间,从此人类一直使用以硬盘为主存储计算机数据,直到二十年来才从硬盘慢慢转移到固态硬盘,用半导体芯片存储数据。

其实,早在上世纪六七十年代,人类就开始尝试使用芯片存储数据,在1967年贝尔实验室发明了浮栅MOSFET,奠定了EPROM、EEPROM的基础。到了1971年,英特尔工程师Dov Frohman发明了EPROM,EPROM全称是Erasable Programmable Read Only Memory,意为“可擦除可编程只读存储器”,它是一组浮栅晶体管,采用了采用双层栅结构,在掉电时也不会丢失数据,是一种非易失性存储器(相对应,内存RAM是一种易失性存储器),不过EPROM在写入数据前需要使用强紫外线照射来擦除,因此EPROM典型特性是有一个透明的玻璃窗口。

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 不过EPROM使用起来实在太麻烦了,在1977年休斯飞机(Hughes Aircraft)工程师Eli Harari发明了首个实用型EEPROM 。EEPROM是Electrically Erasable Programmable read only memory的简写,意为“可擦除可编程只读存储器”,它同样是一种非易失性的,但是不需要使用紫外光擦除数据,只需要在特定引脚上施加高电压即可写入或擦除数据,易用性得到大大提高,电脑主板的BIOS就是保存在EEPROM上的。

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主板上的EEPROM

闪存的诞生

在1984年,东芝超大规模集成电路(ULSI)研究所工程师舛冈富士雄(Fujio Masuoka)在年底举办的IEDM的会议上,发表标题为《Flash Memory》(闪存)的论文,揭开了使用半导体芯片大规模存储数据的序幕。因此舛冈富士雄被视为闪存之父,他本人还在1997年被IEEE授予特殊贡献奖,东芝被视为闪存发明公司。2019年原东芝存储器正式更名为铠侠,产品依旧采用了原厂高品质闪存颗粒,并在日本四日市、北上市建立多座Fab,其中包括全球最大的闪存工厂之一,目前闪存产量占全球产能的30%,铠侠闪存市场排名多年来保持着全球第二。

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 关于舛冈富士雄发明闪存的新闻报道

不过闪存技术墙内开花墙外香,东芝与英特尔达成协议,授权后者制造闪存技术相关产品,于是英特尔在1988年推出了首块商用闪存芯片,容量为256K bit,被内嵌在录音机当中。

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Intel博物馆展示的闪存存储卡,不过图中已经是90年代产品

但是东芝发明闪存、英特尔生产闪存只是闪存发明史的一半,因为在1987年舛冈富士雄发明了另一种闪存——NAND,也就是今天电脑SSD、相机SD存储卡、手机ROM所用的闪存技术,至今历史已经有35年了,1984年发明的闪存技术名字叫做NOR。在1989年东芝制造出了第一颗NAND芯片并投入市场,到了1991年东芝宣布与IBM公司建立战略合作伙伴关系,开发固态硬盘代替机械硬盘,并着手研发16Mbit产品。

NOR与NAND角逐

在上世纪90年代NAND与NOR是两种并驾齐驱的闪存技术,但是今天在谈论SSD、CFexprss Type B存储卡时已经不会提及NOR一词,那NAND是如何战胜NOR,取得主流地位的呢,这需要从二者技术原理、性能差异说起。下图是NAND与NOR的存储单元cell结构对比图,NAND的Bit line是一些连续晶体管,cell大小为4F²,而NOR的Bit line是一个相对完整的单元,cell大小为10 F²,也就是说要提供相同存储空间,NAND消耗的晶体管比NOR更少,成本更低。

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除了低成本外,NAND还有不少优势,它在写入文件时无需将目标块内所有的存储单元都写为“0”,因此写入速度更快;寿命长,NAND每个块的可以做到一百万次擦写次数,NOR只有十万次。但是NOR也有不少优势,它不但读取速度更高,而且支持XIP(Excution In Place)技术,NOR上的数据可以跳过RAM,直接被CPU读取,延迟更低;受交换现象问题影响较少,数据可靠性更高。

显然NOR与NAND各有优势,而且NOR技术更早实现量产,因此闪存技术发展的初期,更多产品是采用NOR闪存的,比如在1991年德国科隆Photokina摄影器材展上,柯达展示首款数码单反相机DCS100,它搭载了一块130万像素的CCD传感器,但是拍摄的照片无法存储机身内部,而是通过数据线传输到外置的数据单元(DSU)上,该单元核心就是200Mb的NOR闪存芯片。

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柯达DSC100

为了争夺前景美好的闪存市场,各家厂商竞争使出浑身解数,其标志性无疑是各项基于闪存技术的存储卡标准出台——在1992年闪迪抢先推出了PCMCIA闪存卡,作为PC外置存储器使用,接着到了1994年闪迪推出了CF存储卡(Compact Flash),它接口与PCMCIA兼容,但是尺寸更小,长宽为43*36mm,更适合数码相机等移动设备使用。到了1997年闪迪还联手西门子制定了MMC卡(MultiMedia Card),它只有一张邮票大小——24*32 mm*1.4 mm,针脚采用导轨式设计,而且数量只有7个,更为适合手机使用,比如说西门子的神机6688就支持MMC卡。

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PCMCIA卡

在面对自大洋对岸的挑战,东芝也开始制定存储卡标准,在1995年推出了SmartMedia卡,它造型与软盘相似,因此初期命名为固态软盘卡(SSFDC),但尺寸要小很多,只有45.0*37.0*0.76mm,使用了东芝出品的NAND闪存。在2002年奥林巴斯和富士针对数码相机推出了XD-PICTURE CARD,也就是常说XD卡,大小为20*25 *1.78mm,由东芝负责生产。

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SmartMedia卡

但是上述存储卡标准谁都没有笑到最后,在1998年东芝、松下与闪迪联合推出了SD卡,它大小为32m*24*2.1mm,只比MMC厚了0.7mm,卡槽向上兼容MMC。它的出现成功淘汰了MMC、SM以及索尼所主导的记忆棒,而且衍生出Mini SD、microSD标准,打败了XD、索尼短棒,在今天SD、microSD依然是最受数码相机、运动相机、数码摄像机欢迎的存储卡,生命力非常顽强。

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在闪存卡标准之争的同时,闪存也在急速发展,在1997年英特尔发明了MLC技术,2001年东芝与闪迪宣布推出了1Gb MLC NAND颗粒,其容量是英特尔首个NOR芯片的4096倍。同年三星推出了512Gb NAND颗粒,自从天平不可动摇地滑向写入速度更快、容量更大的NAND。加上MP3播放器、智能手机、数码相机等设备在20世纪90年代末到21世纪头10年大发展,需要容量更大的闪存芯片,决定了赢得主流市场是NAND。

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SLC到TLC

要增加NAND芯片容量最简单方法是增加晶体管,但这意味着增加成本,那有什么不增加晶体管数量,或不怎么晶体管数量下提高容量呢?前文提及英特尔MLC技术就能做到,MLC是Multi Level Cell简写,意思为多层式储存,是对应SLC(Single Level Cell,单层式储存)的命名方式,它是将两个单位的信息存入同一个cell单元,再通过不同电位的电荷去精准读取数据,4种电压、1个晶体管就可存储2bit数据,比SLC翻倍。在2008年时候东芝宣布MLC NAND固态硬盘投入大规模量产,共有64GB、128GB两个容量以及1.8英寸、2.5英寸不同大小,凭借SATA II接口与高速闪存芯片,读写速度分别达到了100MB/s和40MB/s,而东芝Dynabook SS RX1成为了首款配备MLC NAND固态硬盘的电脑,自从PC开始快速普及SSD。

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 Dynabook SS RX1内置的MLC SSD

基于MLC技术原理,后来发展出TLC(Trinary Level Cell,三层式储存)、QLC(Quad Level Cell,四层式储存),层数越多NAND容量越大,但是性能、可靠性、寿命越差,但是大容量诱惑、以及各种辅助技术加持下,MLC淘汰了SLC,TLC又淘汰了MLC,成为了主流,估计在不久将来QLC会代替TLC。

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除了使用MLC、TLC增加存储密度外,NAND在过去10年里还使用3D NAND技术去提高单位面积芯片的存储密度,最大限度榨干晶圆的空间。3D NAND原理很简单,就是把存储单元垂直地叠加在一起,层数越多,自然同样面积芯片存储密度越高,在2013年8月,三星运用了10nm工艺制成了首个3D V-NAND,拉开了3D NAND序幕。 

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闪存应用与未来

在今天闪存已经淘汰了光盘,把HDD逼到一角,成为了主流存储技术,比如说SSD,在过去两年时间里AMD、英特尔陆续推出了Zen3、12代酷睿悉尼一代处理器,普及了PCIe 4.0接口,尤其搭配12代酷睿的Z690主板,往往能提供3、4条PCIe 4.0的M.2插槽,吸引用户购买PCIe 4.0 SSD。铠侠PRO SE10 PCIe4.0固态硬盘使用了铠侠原厂颗粒,提供了1TB、2TB容量,顺序读写速度分别达到了7300MB/s、6400MB/s,能够很好满足游戏用户、视频工作者的高性能需求。

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铠侠闪存广泛应用在电脑、智能手机、游戏主机、车载系统、可穿戴设备、数据中心、音乐各个领域,帮助用户更为高效、可靠地去存储数据,与我们息息相关,也在改变着我们的生活。在年初,铠侠与西部数据联合开发出162层NAND的第6代BiCS 3D NAND闪存,进一步闪存的性能与存储密度,未来可期。



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