35年技術積累 閃存搭電腦相機東風成市場主流

2022年08月10日12:24

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、智能手錶的ROM,本質都是閃存存儲器。不過閃存從誕生到今天普及並非一帆風順的,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?

35年技術積累 閃存搭電腦相機東風成市場主流_新浪眾測
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 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年製造了第一塊硬盤350RAMAC,它使用了50片直徑為24英吋的磁盤實現了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,人類就開始嚐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,採用了採用雙層柵結構,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。

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 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。

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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,產品依舊採用了原廠高品質閃存顆粒,並在日本四日市、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。

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 關於舛岡富士雄發明閃存的新聞報導

不過閃存技術牆內開花牆外香,東芝與英特爾達成協議,授權後者製造閃存技術相關產品,於是英特爾在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。

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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年東芝製造出了第一顆NAND芯片並投入市場,到了1991年東芝宣佈與IBM公司建立戰略合作夥伴關係,開發固態硬盤代替機械硬盤,並著手研發16Mbit產品。

NOR與NAND角逐

在上世紀90年代NAND與NOR是兩種並駕齊驅的閃存技術,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。

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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,而且支援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,更多產品是採用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。

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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,其標誌性無疑是各項基於閃存技術的存儲卡標準出台——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製定了MMC卡(MultiMedia Card),它只有一張郵票大小——24*32 mm*1.4 mm,針腳採用導軌式設計,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就支援MMC卡。

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PCMCIA卡

在面對自大洋對岸的挑戰,東芝也開始製定存儲卡標準,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Olympus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後,在1998年東芝、Panasonic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Sony所主導的記憶棒,而且衍生出Mini SD、microSD標準,打敗了XD、Sony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。

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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年東芝與閃迪宣佈推出了1Gb MLC NAND顆粒,其容量是英特爾首個NOR芯片的4096倍。同年Samsung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。

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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,那有什麼不增加晶體管數量,或不怎麼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年時候東芝宣佈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英吋、2.5英吋不同大小,憑藉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。

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 Dynabook SS RX1內置的MLC SSD

基於MLC技術原理,後來發展出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。

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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,最大限度榨乾晶圓的空間。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,Samsung運用了10nm工藝製成了首個3D V-NAND,拉開了3D NAND序幕。 

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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代酷睿雪梨一代處理器,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,能夠很好滿足遊戲用戶、視頻工作者的高性能需求。

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鎧俠閃存廣泛應用在電腦、智能手機、遊戲主機、車載系統、可穿戴設備、數據中心、音樂各個領域,幫助用戶更為高效、可靠地去存儲數據,與我們息息相關,也在改變著我們的生活。在年初,鎧俠與西部數據聯合開發出162層NAND的第6代BiCS 3D NAND閃存,進一步閃存的性能與存儲密度,未來可期。

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