闪存的故事

2022-11-30 12:56:53 来源:EETOP编译

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可能难以置信,到2022 年,闪存(flash memory)已经问世35 年了。当一项技术变得像闪存一样必不可少并被广泛采用时,时间似乎过得特别快(图 1

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1. 在过去 35 年中,闪存在所有领域的增长都非常显著

自 1987 年问世以来,闪存已成为一种基础存储技术,广泛应用于移动设备、商用和个人电脑、数码相机、科研设备、电子乐器、医疗设备、航天器、汽车和航空系统,以及几乎无穷无尽的其他系统和设备(图 2)。

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2. 闪存应用数量随着其大小、容量和性能的增长而增长

NOR和NAND类型的闪存都是由东芝的半导体业务部门(后来改名为KIOXIA)发明的。最初的设备被命名为 "一种可同时擦除的EEPROM"。后来名称被“闪存(flash)”所取代,因为该设备可以在"闪光 "中同时擦除大量的存储单元。与动态随机存取存储器(DRAM)芯片不同,非易失性闪存设备即使在关闭电源后也能保留存储的信息。

NAND 取代 NOR

最初的 NOR 设备虽然是一项突破性技术,但在容量和成本方面受到限制。与此同时,NAND 提供了一种存储单元面积减少的配置,从而降低了每位成本。

尽管潜力巨大,但Nand flash并非一夜成名。事实上,一些行业批评者打趣地说这只是一种寻找问题的技术。事情变得如此糟糕,以至于铠侠的前身(东芝)一度甚至考虑停止该项目。当时这似乎是一个合理的选择,因为经过三年的商业可用性,NAND闪存尚未吸引任何付费客户。

潮流逆转

在 1990 年代,NAND 闪存开始寻找自己的市场和客户。当当数字电话应答机、条形码阅读器、数码相机和MP3播放器的制造商开始认识到NAND闪存是一种完美的产品存储技术时,NAND闪存的应用速度加快了。

1990年代末,东芝和闪迪同意共同开发和制造G级闪存。业界首家 NAND 闪存合资企业为今天的“超级工厂”设施铺平了道路。大规模生产降低了每Gbit的成本,导致NAND闪存存储在更广泛的产品中的使用。

2001 年,事情真正进入了高速发展阶段,当时从单级单元(SLC) 到多级单元 (MLC) 技术的转变为实现大批量生产、提高密度和降低每比特成本开辟了道路。

2005 年,300 毫米 NAND 闪存大型工厂Fab 3 建成,以满足数字消费设备(包括手机和数码相机)对闪存不断增长的需求。大批量生产降低了每千兆位的成本,导致在更广泛的产品中使用NAND 闪存。

此外,在 2005 年,8-Gb NAND 闪存芯片问世,开创了单芯片 1-GB 数据存储容量的新时代。这些芯片采用 MLC 技术,允许将两位数据存储在单个存储单元中,从而有效地使存储容量翻倍。NAND闪存很快被引入笔记本电脑和台式电脑,与基于硬盘的存储相比,速度、空间、重量和功耗都更低。

2007年,3D闪存技术问世。东芝(现为铠侠)在当年的 IEEE VLSI 研讨会上介绍了 BiCS FLASH 3D 闪存的论文突出了这一事件。

KIOXIA 512-Gb 3D 闪存(图 3)继续改进其BiCS FLASH 技术,具有业界最大的容量。它导致在单个封装中创建了具有16 芯片堆叠架构的 1 TB 产品,从而提高了每层的密度,并开始了“层竞赛”。

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3. BiCS FLASH 3D 技术提供了 512 Gb 的NAND 闪存。

令人印象深刻的进步

即使在 35 年后,闪存的故事仍在继续快速发展。例如,突破性的四级单元 (QLC) 技术通过将每个存储单元的数据位数从三增加到四,显著扩展了容量。

总的来说,闪存在非常短的时间内取得了长足的进步。该技术在每 GB 的价格(1990 年代的 10,000 美元到今天的约 0.20 美元——下降了 50,000 倍) 和裸片密度同样显著增加(1990 年代的 4 Mb 到今天的1.33 Tb)方面取得了令人瞩目的进步。

媒体存储方面也取得了类似的进展。在音乐领域,闪存已经从可以存储在4 Mb NAND 芯片上的极小的十六分之一歌曲发展到可以存储在1.33 Tb NAND 芯片上的 20,000 首歌曲。

向前进

当今支持闪存的应用非常丰富,而且还在不断增长。该技术现在正在进入新的领域,例如云/边缘计算、工业自动化、面向游戏的AR/VR设备、可穿戴/数字健康设备、人工智能以及许多其他尖端系统和产品。

在短短 35 年的时间里,闪存已经从一个“寻找问题的解决方案”发展成为一个价值700 亿美元的市场。闪存的非凡旅程将延续到遥远的未来。

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