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闪存的历史:谁是发明人,谁是玩家
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2023.07.02 北京

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这一篇尝试从几个不同的角度梳理闪存相关的历史。

闪存从1990年代开始就是半导体领域里最大宗的产品之一。最初NOR型闪存因其访问速度快而独步天下。2000年之后,数据应用的兴起,日常使用的U盘、CF卡、SD卡和TF(microSD),智能手机中的eMMC和UFS,以及日渐取代HDDSSD都基于NAND型闪存开发,这使得NAND型闪存占据了95%左右的闪存市场份额。

NAND型闪存与NOR型闪存,两者主要的差别在于存储单元阵列的拓扑结构是串联(NANDNot AND,与非门型)还是并联(NORNot OR,或非门型)。从技术背景来看,NAND为基于EEPROM结构的闪存,擦写均通过隧穿效应实现 -- 浮栅技术用Fowler-Nordheim隧穿效应,而电荷俘获技术在使用超薄氧化层(<3nm)时,也会应用氧化层直接隧穿,在氧化层与氮化层复合介质层产生Modified FN Tunneling;而NOR为基于EPROM结构的闪存,擦除也采用隧穿效应实现,写入则采用了沟道热电子注入方式(Channel Hot Electron InjectionCHE)NAND因成本优势,主要用于数据的存储,NOR则因XIP (Execution in Place)特性,主要用于代码的存储。两者之间不存在谁优于谁,谁取代谁的关系。

闪存是一种非易失性半导体存储器件(Non-Volatile Memory, NVM)。非易失指断电数据不丢失,但一般随机访问速度慢,且读写速度不对称;相应的易失就是指断电数据丢失,但随机访问速度快。半个世纪以来,NVM的发展历经了ROMPROMEPROMEEPROM,直到当下主流的闪存。近年来有PCRAMMRAMRRAMFeRAM等新型存储器件模糊了易失和非易失的界限,在大幅提高了随机访问速度的同时,保持了非易失特性。业界对SCM (Storage Class Memory)的研究如火如荼,但是短期内还不足以威胁闪存主流存储介质的地位。

谁发明了闪存?

今天我们都知道,闪存之父是曾经任职于东芝的半导体科学家舛冈富士雄(Fujio Masuoka)先生。然而在上世纪90年代到2000年代初,英特尔一度宣称他们才是NOR型闪存的发明人。

1980年,舛冈富士雄博士在东芝工作期间发明了一种能快速擦除的EERPOM,他为这项发明申请了一个叫做Simultaneously Erasable EEPROM的专利。这个产品得到了闪存的绰号,因为它可以在相机闪光灯一闪的瞬间被擦除,而当时主流的EPROM需要若干分钟才能擦除。后来他又先后于1984年发明了NOR 闪存1987年发明了NAND 闪存

东芝具有了闪存的先发优势,但是很遗憾,企业病严重的东芝公司不肯为新技术投入资源。他们正在日本半导体产业号召下全力押注DRAM,不太愿意制造闪存,只是把这项发明专利作为打压其他竞争对手的武器,不停地起诉其他制造闪存的公司。有一个坊间传说,舛冈先生, 在其东芝生涯的晚期,甚至因为经费问题而和他的上司起过肢体冲突(未经证实)。这种行为在等级森严的日本公司是极端罕见的。这也为他后来离开东芝,以及他最初所领导的研发团队成员纷纷离开东芝埋下了伏笔 -- 很难想象一个创造出每年600亿美金市场价值的发明团队,其初始团队成员居然大都不再为原有的公司服务。笔者曾经有幸遇到过三个初始发明团队的成员,他们都曾是舛冈先生的下属,当时一个在美光工作、一个在英特尔工作、一个在台湾的大学任教。这让笔者觉得很奇怪,日本人不应该是终身任用的吗?为什么这个团队的成员都不在东芝工作,还散布于全球。后面喝酒聊High了,才渐渐明白了缘由。

太平洋的另一边,英特尔参考舛冈先生的样品,在1988年,提出了经典的ETOX (Electron Tunneling Oxide Device)结构,并成功量产了NOR 闪存产品。NOR 闪存一经上市就大获成功,各家半导体企业纷纷跟进。至今,大部分闪存存储器的结构都是由ETOX演化发展而来的,英特尔宣称他们是NOR闪存的发明人,而当时东芝居然也都承认NOR 闪存英特尔所发明,直到1997IEEE颁给舛冈先生特殊贡献奖后才改口。

据说,在1987年,ETOX结构尚在研发期时,舛冈先生就已经听说了英特尔声称NOR闪存为英特尔所发明。舛冈先生很不开心,他对他的团队成员们说,既然英特尔在NOR上鸠占鹊巢,他一时之间又无法为自己正名,那么他就再发明一款闪存产品,一款和NOR闪存结构不一样的闪存产品,用它来打败英特尔的NOR -- 于是NAND闪存被发明出来,并且真的打败了NOR

然而不论是NOR的发明还是NAND的发明,生不逢时的舛冈先生最初只得到东芝几百美元的奖励。因为各种原因,他还被调离了研发岗位,1994年失望的离开了东芝,回到东北大学教书。之后的几年,他的一些初始团队成员们也陆陆续续离开。2001年,东芝被迫剥离了DRAM业务,将重心放在NAND 闪存上边。2006年,舛冈先生起诉东芝,索要了一笔大约87万美元的补偿金。

现在东芝存储已更名为铠侠。在NAND闪存发明35周年之际(1987~2022),铠侠方面坦言,NAND闪存技术是一项颠覆性的技术,引领数据存储进入了新时代,使人们日常所用的智能手机、电脑、智能汽车等产品得到了质的飞跃,也为云计算、大数据、VR设备、人工智能、物联网、自动驾驶等新兴领域的发展奠定了基础。NAND闪存如今的市场规模已经达到600亿美元。跟闪存行业一年数百亿美元的规模相比,舛冈先生得到的补偿金实在有点少。

谁是玩家NOR还是NAND

1988年,英特尔推出了首款商用256Kb NOR闪存芯片,成功取代了 EPROM 产品,主要用于存储计算机软件。

虽然东芝此前不重视闪存,但也并未完全将其束之高阁,还是保留了少部分研发人员持续跟进,1991年东芝发布了全球首个4Mb NAND闪存。东芝作为行业先驱,拥有领先的技术优势,然而英特尔的高速发展给东芝带来巨大压力,于是1992年底,东芝将NAND 闪存设计授权给三星。两年后,三星发布了16Mb NAND闪存,这是三星NAND闪存的起点,1999年,又发布了1Gb NAND闪存。到2002年,三星成为了全世界首个量产1Gb NAND闪存的公司,自此三星超越东芝,正式坐上闪存市场的头把交椅。东芝则是在这之后与闪迪合作,共同投资产线,使闪迪从一家模组厂,晋升成为闪存IDM公司。

东芝是NAND阵营当之无愧的领路人而英特尔的主要精力放在了NOR闪存上,技术完美主义的工程师们对NAND闪存允许坏块的存在嗤之以鼻。英特尔曾在2002年的内部大讨论中思考是否要做NAND。当时功能手机依旧大行其道,XIP需求仍然旺盛,于是英特尔得出结论,还是坚持做NOR。其结果是,三年后的2005年,英特尔在解雇了2002年的闪存路线决策者后,与美光一起,在犹他州成立了合资公司做NAND闪存。

另一位NOR闪存的大拿公司AMD,在这一业务上则没有那么多耐心。2003年和富士通一起将闪存业务剥离后合并,成立了飞索半导体(Spansion),后在2009年的经济危机中申请破产。然而其破产也为中国的闪存发展带来了利好 -- 间接的贡献是,飞索半导体让渡的NOR闪存市场空间,让中国的兆易创新得以快速提升其NOR闪存市场占有率,最终成为NOR闪存巨头;直接的贡献则是,2015年与长江存储的前身武汉新芯合作开发NAND闪存。Spansion (当时已经卖给Cypress)提供了大量闪存IP授权,使长江存储在成立之初,就摆脱了IP壁垒的限制。

闪存市场在90年代呈现较快增长。从19911.35亿美元,到1995年直接增长至18.60亿美元。1997年起,手机、数码相机、便携式摄像机、MP3播放器等新生代数码产品带动消费级闪存市场,到1999年,市场规模上升至45.61亿美元。功能手机时代,NOR 闪存风靡一时,1992年,英特尔占据 闪存市场份额的75%。然而,NAND闪存从结构上看,NOR天生密度更高、成本更低。随着ipod等消费类产品对数据存储需求的提升,NAND闪存的市场急速增长。到1999年底,英特尔的市场份额下滑到了26%2005-2016 年智能手机快速崛起,NAND 闪存的高密度存储优势更加明显。NOR的市场规模从2006年达到顶峰后开始逐渐萎缩,英特尔在2008年最终出售了NOR业务,与意法半导体的NOR业务团队合并,成立的公司叫作恒忆半导体(Numonyx)2010年,Numonyx又被美光收购。这之后NOR因为一些新兴应用的兴起,市场规模从2016年的低谷向上有所回升,但始终无法重回昔日独步天下的辉煌。

产业的分分合合、玩家的进进出出、NORNAND的市场规模转变,都不得不依附于闪存应用的发展趋势。目前,NOR的市场规模约40亿美元,NAND600亿美元。NAND闪存已经从消费级市场,发展到企业级市场,成为数据中心的重要存储介质。数字化、智能化的趋势还会给NAND闪存带来大的增量。

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