DRAM是易失性存储器，也就是我们常说的内存。今天，我们就来看看半导体存储的另一个重要领域，那就是非易失性存储器（也就是大家耳熟能详的闪存卡、U盘、SSD硬盘等）。在《半导体存储最强科普（链接）》一文中给大家介绍过，在早期，内存分为ROM（只读存储器）和RAM（随机存取存储器）。后来逐渐改为易失性存储器、非易失性存储器等更严谨的称呼。1950s-1970s：从ROM到EEPROM我们从最早的ROM开始。ROM的确切诞生时间在现有资料中并没有详细记载。我们只是粗略地知道，在50年代，集成电路发明之后，就有了掩模ROM。MaskROM是真正的传统ROM，全称是maskread-onlymemory(MASKROM)。这种传统的ROM直接将信息“雕刻”到内存中，完全是硬编码的、只读的、不可擦除的，更谈不上修改了。它的灵活性很差。如果写错了，没有办法改正，只能丢弃。后来，1956年，美国博世Arma公司的华人科学家周文军（WenTsingChow）正式发明了PROM（ProgrammableROM，可编程只读存储器）。当时博世阿玛有军方背景，主要研究导弹、卫星和航天器制导系统。周文军发明的PROM用于美国空军洲际弹道导弹机载数字计算机。它可以通过施加高压脉冲来改变存储器的物理结构，从而实现对内容的修改（编程）。后来，PROM逐渐出现在民用领域。一些新的PROM可以用特殊设备以电流或光（紫外线）的形式烧断保险丝，以达到改写数据的效果。这些PROM广泛应用于游戏机和工业控制领域，用于存储程序代码。1959年，贝尔实验室的工程师穆罕默德·M·阿塔拉（MohamedAtalah，埃及人）和DawonKahng（姜大元，韩国人）共同发明了金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。MOSFET发明后，被贝尔实验室忽视。许多年后的1967年，蒋大元和SimonMinSze（史敏，华人）提出基于MOS半导体器件的浮栅可用于可重新编程的ROM存储单元。这是一个极其重要的发现。后来的事实证明，MOSFET是半导体存储器存储单元的重要基础元件，可以说是一项基础技术。当时，越来越多的公司（摩托罗拉、英特尔、德州仪器、AMD等）加入到半导体存储的研究中，试图发明可以反复读写的半导体存储，以提高PROM的灵活性。它基于MOSFET的思想。1971年，英特尔公司的多夫·弗罗曼（DovFrohman，以色列人）率先发明了EPROM（用户可擦除PROM，可擦除可编程只读存储器）。EPROM可以通过暴露在强紫外线下反复重置为未编程状态。同样在1971年，英特尔推出了自己的2048位EPROM产品——C1702，采用p-MOS工艺。不久之后，在1972年，日本电工研究所的垂井康夫、林丰和永清子共同发明了EEPROM（电可擦除可编程ROM）。1980~1988：FLASH的诞生从ROM发展到EEPROM之后，非易失性存储技术并没有停止前进的脚步。当时虽然已经出现了EEPROM，但还是存在一些问题。主要问题是擦除速度太慢。1980年，改变整个行业的人终于出现了，他的名字叫增冈不二雄（FujioMasuoka，发音chuǎn）。FujioMasuoka是日本东芝公司的一名工程师。他发明了一种能够进行快速擦除操作的新型浮栅存储器，即——“同时可擦除（synchronouslyerasable）EEPROM”。这种新型EEPROM以极快的速度擦除数据。FujioMasuoka的同事根据它的特点，将其命名为FLASH（闪存），因为它与相机的闪光灯有关。遗憾的是，增冈藤雄发明闪存后，并没有得到东芝足够的重视。东芝给了增冈不二夫几百美元的奖金，然后搁置了这项发明。原因很简单。在此期间，日本的DRAM以压倒性优势碾压美国。因此，东芝想要继续巩固DRAM的红利，并不打算进一步推动Flash产业。1984年，FujioMasuoka在IEEE国际电子元器件大会上正式公布了他的发明（NORFlash）。会上，一家公司对他的发明产生了浓厚的兴趣。这家公司就是英特尔。Intel非常看重FLASH技术的前景。会后，他们拼命打电话给东芝要FLASH样品。收到样品后，他们立即派出300多名工程师开发自己的版本。1986年，他们成立了专门研究FLASH的部门。1988年，基于FujioMasuoka的发明，英特尔生产出第一款用于计算机存储的商用256KBNORFlash闪存产品。1987年，FujioMasuoka继NORFlash之后又发明了NAND??Flash。1989年，东芝终于发布了全球第一款NANDFlash产品。NOR是“非或”的意思，NAND是“非与”的意思。这样的命名与他们自己的基础设施有关。如下图所示，NORFlash将存储单元与位线并联。在NAND闪存中，存储单元与位线串联。与NORFlash存储器相比，该架构可以实现逐位随机访问。但是NANDFlash只能同时访问多个存储单元。对于NORFlash来说，如果任意一个存储单元被对应的字线选中并开启，对应的位线就会变为0，类似于“或非门电路”。在NANDFlash中，一条位线上的所有存储单元都需要为1才能使位线为0，类似于“与非门电路”。无法阅读？没关系，无论如何要记住：NANDFlash比NORFlash便宜。（具体区别请参考：半导体存储最强入门科普。）1988~2000：群雄并起，FlashFLASH（闪存）产品出现后，因为容量、性能、体积的优势，可靠性，和能耗，得到了用户的认可。英特尔也凭借第一款闪存产品在业界取得了领先优势，赚得盆满钵满。搞笑的是，在英特尔成功之后，东芝不仅没有反省自己的错误，反而声称FLASH是英特尔的发明，而不是自己的员工增冈藤雄。直到1997年IEEE将特别贡献奖授予增冈藤雄，东芝才正式改口。这让增冈不二雄非常生气。后来（2006年），增冈藤雄起诉该公司，要求赔偿10亿日元。最终，他和东芝以8700万日元（合75.8万美元）和解。1988年，EliHarari等人正式创立SanDisk（闪迪，当时叫SunDisk）。1989年，SunDisk公司申请了系统闪存架构（“系统闪存”）的专利，该架构结合了嵌入式控制器、固件和闪存来模拟磁盘存储。今年，英特尔开始销售512K和1MBNORFlash。1989年，闪存行业又发生了一件非常重要的事件。在以色列，一家名为M-Systems的公司诞生了。他们首先提出了闪存盘的概念，也就是后来的闪存SSD硬盘。20世纪90年代，随着数码相机和笔记本电脑市场需求的爆发，FLASH技术开始大放异彩。1991年，SunDisk推出全球第一款基于FLASH闪存介质的ATASSD固态硬盘（solidstatedisk），容量为20MB，尺寸为2.5英寸。东芝也开始发力，先后推出了全球第一款4MB和16MBNANDFlash。1992年，英特尔占据了75%的FLASH市场份额。排在第二位的是AMD，占比仅为10%。除了他们和SanDisk，该行业还挤进了SGS-Thomson和富士通等公司，竞争也逐渐变得越来越激烈。今年，AMD和富士通相继推出了自己的NORFlash产品。闪存芯片行业的年收入为2.95亿美元。1993年，苹果公司正式推出NewtonPDA产品。它使用的是NORFlash闪存。1994年，SanDisk率先推出CF存储卡（CompactFlash）。当时这种存储卡是基于NorFlash闪存技术，应用于数码相机等产品中。1995年，M-Systems发布了一款基于NORFlash的闪存盘——DiskOnChip。1996年，东芝推出了SmartMedia卡，也称为固态软盘卡。不久，三星开始出货NAND闪存，闪迪推出了第一款采用MLC串行NOR技术的闪存卡。1997年，手机开始配备闪存。此后，闪存开辟了继数码相机之后的巨大消费市场。这一年，西门子与闪迪合作开发了著名的MMC卡（MultiMediaMemory，多媒体内存），采用了东芝的NANDFlash技术。1999年8月，由于MMC容易盗版音乐，东芝对其进行了改造，增加了加密硬件，并将其命名为SD（SecuredDigital）卡。后来又出现了MiniSD、MicroSD、MSMicro2和MicroSDHC等，相信70、80后的朋友们一定很熟悉了。整个20世纪90年代后期，受益于手机、数码相机、摄像机、MP3播放器等消费类数码产品的爆发式增长，FLASH的市场规模迅速扩大。当时市场繁荣，涉及的公司众多。其中，竞争最激烈的是三星、东芝、闪迪和英特尔。2000年，M-Systems和Trek发布了全球第一款商用U盘，也就是我们非常熟悉的U盘。它还有一个名字叫拇指驱动器。当时U盘的专利权比较复杂，很多公司都声称拥有其专利。中国朗科也在1999年获得了U盘的基础专利。2000~2012年：NAND崛起，NOR失去动力1990年代后期，NANDFlash已经开始崛起。进入21世纪，上升趋势更加迅猛。2001年，东芝和闪迪宣布推出1GBMLCNAND。闪迪本身也推出了第一款NAND系统闪存产品。2004年，NAND的价格首次跌破同密度的DRAM。巨大的成本效应开始推动计算机进入闪存时代。2007年，手机进入智能手机时代，再次对闪存市场的技术格局产生影响。在之前的功能机时代，手机对内存的要求并不高。NORFlash是一种代码型闪存芯片。采用NOR+PSRAM的XiP架构（XiP，ExecuteInPlace，片上执行，即应用程序不需要将代码读入系统RAM，而是可以直接在Flash内存中运行），被广泛应用用过的。进入智能手机时代，随着应用商店和大量APP的出现，NORFlash容量小、成本高等缺点已经不能满足用户的需求。因此，NORFlash的市场份额开始大量被NANDFlash取代，市场持续萎缩。2008年前后，由MMC发展而来的eMMC成为智能手机的主流存储技术。eMMC即嵌入式MultiMediaCard，将MMC（MultimediaCard）接口、NAND和主控制器封装在一个小小的BGA芯片中，主要解决NAND品牌差异兼容性等问题，方便Vendors快速方便的推出新品。后来在2011年，UFS（UniversalFlashStorage，通用闪存）1.0标准诞生了。UFS逐渐取代eMMC，成为智能手机的主流存储方案。当然，UFS也是基于NANDFLASH的。SSD硬盘就更不用说了，基本都是用NAND芯片。2015年前后，三星、美光、赛普拉斯等公司逐渐退出NORFlash市场，转而在NANDFlash领域奋战。2012~至今：闪存行业现状及市场垄断格局形成。2011年之后，整个闪存行业风起云涌，并购接二连三。在此期间，LSI收购了Sandforce，SanDisk收购了IMFT，Apple收购了Anobit，Fusion-io收购了IOTurbine。2016年，更重大的收购发生了——西部数据收购闪迪。通过并购，NANDFlash市场的玩家越来越少。最终形成了由三星、铠侠（东芝）、西部数据、美光、SK海力士、英特尔等巨头主导的集中市场。直到现在，情况也是如此。在NAND闪存市场，这些巨头的份额合计超过95%。其中，三星的市场份额最高，达到33-35%。3DNAND时代的到来在之前的DRAM文章中提到，2012年前后，随着2D工艺逐渐进入瓶颈，半导体开始进入3D时代。NANDFlash也是如此。2012年，三星正式推出第一代3DNAND闪存芯片。随后，闪迪、东芝、英特尔、西部数据相继发布了3DNAND产品。闪存产业正式进入3D时代。此后，3DNAND技术不断发展，堆叠层数不断增加，容量也越来越大。3DNAND有很多路线。以三星为例。早期，三星也研究过多种3DNAND方案。最终，他们选择了VG垂直栅结构的V-NAND闪存进行量产。目前，据媒体报道，三星已经完成第八代V-NAND技术产品的开发，该产品将采用236层3DNAND闪存芯片，单Die容量为1Tb，运行速度为2.4Gb/秒。三星拥有最大的市场份额，但他们的层数并不是最多的。今年5月，美光宣布推出232层3DTLCNAND闪存，并准备在2022年底投产，韩国SK海力士更是发布了238层产品。NOR迎来了第二个春天，接着说说NORFlash。前面我们提到，NORFlash从2005年开始逐渐被市场抛弃，到2016年，NORFlash市场规模已经跌至谷底。谁也没想到NORFlash在近几年迎来了新生。以TWS耳机为代表的可穿戴设备、AMOLED（有源矩阵有机发光二极管面板）和TDDI（触摸屏）技术在手机屏幕上的展现，以及日益强大的汽车电子领域，都对NORFlash产生了冲击。巨大的需求也带动了NORFlash市场的强劲复苏。2016年以来，NORFlash市场逐渐扩大。受此利好影响，不少大厂纷纷放弃或缩减NORFlash规模（美光、赛普拉斯持续减产），部分二线厂商获得机会。其中，中国台湾的旺宏和华邦，以及中国大陆的兆易创新。这3家公司的市场份额分别约占26%、25%、19%，如果加起来超过70%。FLASH闪存国产化在国产化方面，NANDFlash值得一提的是长江存储。长江存储于2016年7月26日在武汉新芯集成电路制造有限公司的基础上正式成立，主要股东包括中国集成电路产业投资基金、清华紫光、湖北政府等，致力于提供3DNAND闪存设计和制造存储和存储解决方案的一体化服务。2020年，长江存储宣布成功研发两款128层TLC/QLC产品，并推出智体系列两款消费级SSD新品。建议大家支持国产。到2021年底，长江存储已达到月产10万片晶圆的产能。截至2022年上半年，128层结构的NAND已完成量产。目前，长江存储正在努力挑战232层NAND，力争尽快缩小制程差距，追赶国际大厂。NORFlash方面，刚刚提到了GigaDevice。GigaDevice成立于2005年，是一家总部位于中国的全球芯片设计公司。2012年，他们是中国大陆最大的本土代码型闪存芯片设计商。目前，他们在NORFlash领域排名全球第三。2021年兆易创新存储芯片出货量约32.88亿片（主要是NORFlash），位居全球第二。结语近年来，正如大家所见，随着FLASH芯片价格的不断下降，个人家庭和企业用户开始大规模使用闪存和SSD硬盘。SSD硬盘的出货量正在逐渐超越HDD机械硬盘。存储介质的更新换代进入了一个新的高峰期。未来，闪存的市场份额将进一步扩大。在这样的趋势下，不仅我们个人和家庭用户的存储体验会变得更好，整个社会对存储容量的需求也能得到进一步满足。半导体存储将在全人类数字化转型中发挥更大作用。好了，今天的文章就到这里，谢谢大家的耐心等待！
