閃存的故事
2022-11-30 12:56:53 EETOP編譯可能難以置信,到2022 年,閃存(flash memory)已經問世35 年了。當一項技術變得像閃存一樣必不可少并被廣泛采用時,時間似乎過得特別快(圖 1)。
自 1987 年問世以來,閃存已成為一種基礎存儲技術,廣泛應用于移動設備、商用和個人電腦、數碼相機、科研設備、電子樂器、醫療設備、航天器、汽車和航空系統,以及幾乎無窮無盡的其他系統和設備(圖 2)。
2. 閃存應用數量隨著其大小、容量和性能的增長而增長
NOR和NAND類型的閃存都是由東芝的半導體業務部門(后來改名為KIOXIA)發明的。最初的設備被命名為 "一種可同時擦除的EEPROM"。后來名稱被“閃存(flash)”所取代,因為該設備可以在"閃光 "中同時擦除大量的存儲單元。與動態隨機存取存儲器(DRAM)芯片不同,非易失性閃存設備即使在關閉電源后也能保留存儲的信息。
最初的 NOR 設備雖然是一項突破性技術,但在容量和成本方面受到限制。與此同時,NAND 提供了一種存儲單元面積減少的配置,從而降低了每位成本。
盡管潛力巨大,但Nand flash并非一夜成名。事實上,一些行業批評者打趣地說這只是一種尋找問題的技術。事情變得如此糟糕,以至于鎧俠的前身(東芝)一度甚至考慮停止該項目。當時這似乎是一個合理的選擇,因為經過三年的商業可用性,NAND閃存尚未吸引任何付費客戶。
潮流逆轉
在 1990 年代,NAND 閃存開始尋找自己的市場和客戶。當當數字電話應答機、條形碼閱讀器、數碼相機和MP3播放器的制造商開始認識到NAND閃存是一種完美的產品存儲技術時,NAND閃存的應用速度加快了。
1990年代末,東芝和閃迪同意共同開發和制造G級閃存。業界首家 NAND 閃存合資企業為今天的“超級工廠”設施鋪平了道路。大規模生產降低了每Gbit的成本,導致NAND閃存存儲在更廣泛的產品中的使用。
2001 年,事情真正進入了高速發展階段,當時從單級單元(SLC) 到多級單元 (MLC) 技術的轉變為實現大批量生產、提高密度和降低每比特成本開辟了道路。
2005 年,300 毫米 NAND 閃存大型工廠Fab 3 建成,以滿足數字消費設備(包括手機和數碼相機)對閃存不斷增長的需求。大批量生產降低了每千兆位的成本,導致在更廣泛的產品中使用NAND 閃存。
此外,在 2005 年,8-Gb NAND 閃存芯片問世,開創了單芯片 1-GB 數據存儲容量的新時代。這些芯片采用 MLC 技術,允許將兩位數據存儲在單個存儲單元中,從而有效地使存儲容量翻倍。NAND閃存很快被引入筆記本電腦和臺式電腦,與基于硬盤的存儲相比,速度、空間、重量和功耗都更低。
2007年,3D閃存技術問世。東芝(現為鎧俠)在當年的 IEEE VLSI 研討會上介紹了 BiCS FLASH 3D 閃存的論文突出了這一事件。
KIOXIA 512-Gb 3D 閃存(圖 3)繼續改進其BiCS FLASH 技術,具有業界最大的容量。它導致在單個封裝中創建了具有16 芯片堆疊架構的 1 TB 產品,從而提高了每層的密度,并開始了“層競賽”。
即使在 35 年后,閃存的故事仍在繼續快速發展。例如,突破性的四級單元 (QLC) 技術通過將每個存儲單元的數據位數從三增加到四,顯著擴展了容量。
總的來說,閃存在非常短的時間內取得了長足的進步。該技術在每 GB 的價格(1990 年代的 10,000 美元到今天的約 0.20 美元——下降了 50,000 倍) 和裸片密度同樣顯著增加(1990 年代的 4 Mb 到今天的1.33 Tb)方面取得了令人矚目的進步。
媒體存儲方面也取得了類似的進展。在音樂領域,閃存已經從可以存儲在4 Mb NAND 芯片上的極小的十六分之一歌曲發展到可以存儲在1.33 Tb NAND 芯片上的 20,000 首歌曲。
當今支持閃存的應用非常豐富,而且還在不斷增長。該技術現在正在進入新的領域,例如云/邊緣計算、工業自動化、面向游戲的AR/VR設備、可穿戴/數字健康設備、人工智能以及許多其他尖端系統和產品。
在短短 35 年的時間里,閃存已經從一個“尋找問題的解決方案”發展成為一個價值700 億美元的市場。閃存的非凡旅程將延續到遙遠的未來。