35年技術積累 閃存搭電腦、相機東風成為市場主流

35年技術積累閃存搭電腦、相機東風成為市場主流

Napoleon Chan / 2022-08-09 15:17722800

在今天，我們生活已經離不開閃存，無論是電腦、筆記本電腦里的固態硬盤，還是手機、智能手表的ROM，本質都是閃存存儲器。不過閃存從誕生到今天普及并非一帆風順的，它經過多次技術迭代才有今天的局面，那它到底如何發展成今天的主流存儲器的呢？

用芯片存儲數據

說到計算機存儲歷史，相信很多人會首先想到的是IBM在1956年制造了第一塊硬盤350RAMAC，它使用了50片直徑為24英寸的磁盤實現了5MB的存儲空間，從此人類一直使用以硬盤為主存儲計算機數據，直到二十年來才從硬盤慢慢轉移到固態硬盤，用半導體芯片存儲數據。

其實，早在上世紀六七十年代，人類就開始嘗試使用芯片存儲數據，在1967年貝爾實驗室發明了浮柵MOSFET，奠定了EPROM、EEPROM的基礎。到了1971年，英特爾工程師Dov Frohman發明了EPROM，EPROM全稱是Erasable?Programmable?Read?Only?Memory，意為“可擦除可編程只讀存儲器”，它是一組浮柵晶體管，采用了采用雙層柵結構，在掉電時也不會丟失數據，是一種非易失性存儲器（相對應，內存RAM是一種易失性存儲器），不過EPROM在寫入數據前需要使用強紫外線照射來擦除，因此EPROM典型特性是有一個透明的玻璃窗口。

不過EPROM使用起來實在太麻煩了，在1977年休斯飛機（Hughes Aircraft）工程師Eli Harari發明了首個實用型EEPROM 。EEPROM是Electrically Erasable Programmable read only memory的簡寫，意為“可擦除可編程只讀存儲器”，它同樣是一種非易失性的，但是不需要使用紫外光擦除數據，只需要在特定引腳上施加高電壓即可寫入或擦除數據，易用性得到大大提高，電腦主板的BIOS就是保存在EEPROM上的。

主板上的EEPROM

閃存的誕生

在1984年，東芝超大規模集成電路（ULSI）研究所工程師舛岡富士雄（Fujio Masuoka）在年底舉辦的IEDM的會議上，發表標題為《Flash Memory》（閃存）的論文，揭開了使用半導體芯片大規模存儲數據的序幕。因此舛岡富士雄被視為閃存之父，他本人還在1997年被IEEE授予特殊貢獻獎，東芝被視為閃存發明公司。2019年原東芝存儲器正式更名為鎧俠，產品依舊采用了原廠高品質閃存顆粒，并在日本四日市、北上市建立多座Fab，其中包括全球最大的閃存工廠之一，目前閃存產量占全球產能的30%，鎧俠閃存市場排名多年來保持著全球第二。

關于舛岡富士雄發明閃存的新聞報道

不過閃存技術墻內開花墻外香，東芝與英特爾達成協議，授權后者制造閃存技術相關產品，于是英特爾在1988年推出了首塊商用閃存芯片，容量為256K bit，被內嵌在錄音機當中。

Intel博物館展示的閃存存儲卡，不過圖中已經是90年代產品

但是東芝發明閃存、英特爾生產閃存只是閃存發明史的一半，因為在1987年舛岡富士雄發明了另一種閃存——NAND，也就是今天電腦SSD、相機SD存儲卡、手機ROM所用的閃存技術，至今歷史已經有35年了，1984年發明的閃存技術名字叫做NOR。在1989年東芝制造出了第一顆NAND芯片并投入市場，到了1991年東芝宣布與IBM公司建立戰略合作伙伴關系，開發固態硬盤代替機械硬盤，并著手研發16Mbit產品。

NOR與NAND角逐

在上世紀90年代NAND與NOR是兩種并駕齊驅的閃存技術，但是今天在談論SSD、CFexprss Type B存儲卡時已經不會提及NOR一詞，那NAND是如何戰勝NOR，取得主流地位的呢，這需要從二者技術原理、性能差異說起。下圖是NAND與NOR的存儲單元cell結構對比圖，NAND的Bit line是一些連續晶體管，cell大小為4F2，而NOR的Bit line是一個相對完整的單元，cell大小為10 F2，也就是說要提供相同存儲空間，NAND消耗的晶體管比NOR更少，成本更低。

除了低成本外，NAND還有不少優勢，它在寫入文件時無需將目標塊內所有的存儲單元都寫為“0”，因此寫入速度更快；壽命長，NAND每個塊的可以做到一百萬次擦寫次數，NOR只有十萬次。但是NOR也有不少優勢，它不但讀取速度更高，而且支持XIP（Excution In Place）技術，NOR上的數據可以跳過RAM，直接被CPU讀取，延遲更低；受交換現象問題影響較少，數據可靠性更高。

顯然NOR與NAND各有優勢，而且NOR技術更早實現量產，因此閃存技術發展的初期，更多產品是采用NOR閃存的，比如在1991年德國科隆Photokina攝影器材展上，柯達展示首款數碼單反相機DCS100，它搭載了一塊130萬像素的CCD傳感器，但是拍攝的照片無法存儲機身內部，而是通過數據線傳輸到外置的數據單元（DSU）上，該單元核心就是200Mb的NOR閃存芯片。

柯達DSC100

為了爭奪前景美好的閃存市場，各家廠商競爭使出渾身解數，其標志性無疑是各項基于閃存技術的存儲卡標準出臺——在1992年閃迪搶先推出了PCMCIA閃存卡，作為PC外置存儲器使用，接著到了1994年閃迪推出了CF存儲卡（Compact Flash），它接口與PCMCIA兼容，但是尺寸更小，長寬為43*36mm，更適合數碼相機等移動設備使用。到了1997年閃迪還聯手西門子制定了MMC卡（MultiMedia Card），它只有一張郵票大小——24*32 mm*1.4 mm，針腳采用導軌式設計，而且數量只有7個，更為適合手機使用，比如說西門子的神機6688就支持MMC卡。

PCMCIA卡

在面對自大洋對岸的挑戰，東芝也開始制定存儲卡標準，在1995年推出了SmartMedia卡，它造型與軟盤相似，因此初期命名為固態軟盤卡（SSFDC），但尺寸要小很多，只有45.0*37.0*0.76mm，使用了東芝出品的NAND閃存。在2002年奧林巴斯和富士針對數碼相機推出了XD-PICTURE CARD，也就是常說XD卡，大小為20*25 *1.78mm，由東芝負責生產。

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SmartMedia卡

但是上述存儲卡標準誰都沒有笑到最后，在1998年東芝、松下與閃迪聯合推出了SD卡，它大小為32m*24*2.1mm，只比MMC厚了0.7mm，卡槽向上兼容MMC。它的出現成功淘汰了MMC、SM以及索尼所主導的記憶棒，而且衍生出Mini SD、microSD標準，打敗了XD、索尼短棒，在今天SD、microSD依然是最受數碼相機、運動相機、數碼攝像機歡迎的存儲卡，生命力非常頑強。

在閃存卡標準之爭的同時，閃存也在急速發展，在1997年英特爾發明了MLC技術，2001年東芝與閃迪宣布推出了1Gb MLC NAND顆粒，其容量是英特爾首個NOR芯片的4096倍。同年三星推出了512Gb NAND顆粒，自從天平不可動搖地滑向寫入速度更快、容量更大的NAND。加上MP3播放器、智能手機、數碼相機等設備在20世紀90年代末到21世紀頭10年大發展，需要容量更大的閃存芯片，決定了贏得主流市場是NAND。

SLC到TLC

要增加NAND芯片容量最簡單方法是增加晶體管，但這意味著增加成本，那有什么不增加晶體管數量，或不怎么晶體管數量下提高容量呢？前文提及英特爾MLC技術就能做到，MLC是Multi Level Cell簡寫，意思為多層式儲存，是對應SLC（Single Level Cell，單層式儲存）的命名方式，它是將兩個單位的信息存入同一個cell單元，再通過不同電位的電荷去精準讀取數據，4種電壓、1個晶體管就可存儲2bit數據，比SLC翻倍。在2008年時候東芝宣布MLC NAND固態硬盤投入大規模量產，共有64GB、128GB兩個容量以及1.8英寸、2.5英寸不同大小，憑借SATA II接口與高速閃存芯片，讀寫速度分別達到了100MB/s和40MB/s，而東芝Dynabook SS RX1成為了首款配備MLC NAND固態硬盤的電腦，自從PC開始快速普及SSD。

Dynabook SS RX1內置的MLC SSD

基于MLC技術原理，后來發展出TLC（Trinary Level Cell，三層式儲存）、QLC（Quad Level Cell，四層式儲存），層數越多NAND容量越大，但是性能、可靠性、壽命越差，但是大容量誘惑、以及各種輔助技術加持下，MLC淘汰了SLC，TLC又淘汰了MLC，成為了主流，估計在不久將來QLC會代替TLC。

除了使用MLC、TLC增加存儲密度外，NAND在過去10年里還使用3D NAND技術去提高單位面積芯片的存儲密度，最大限度榨干晶圓的空間。3D NAND原理很簡單，就是把存儲單元垂直地疊加在一起，層數越多，自然同樣面積芯片存儲密度越高，在2013年8月，三星運用了10nm工藝制成了首個3D V-NAND，拉開了3D NAND序幕。

閃存應用與未來

在今天閃存已經淘汰了光盤，把HDD逼到一角，成為了主流存儲技術，比如說SSD，在過去兩年時間里AMD、英特爾陸續推出了Zen3、12代酷睿悉尼一代處理器，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條PCIe 4.0的M.2插槽，吸引用戶購買PCIe 4.0 SSD。鎧俠PRO SE10 PCIe4.0固態硬盤使用了鎧俠原廠顆粒，提供了1TB、2TB容量，順序讀寫速度分別達到了7300MB/s、6400MB/s，能夠很好滿足游戲用戶、視頻工作者的高性能需求。