【科普贴】闪存的历史与类型

现在的SSD使用闪存（Flash Memory）作为存储介质。相较于RAM来说，闪存是一种非易失性存储器，保存数据是不需要消耗电力的。闪存同时还具有较低的读取延迟和良好的抗震性，所以被移动设备广泛采用，其历史可以追溯到上世纪80年代。

1984年，东芝公司的舛冈富士雄博士（Masuoka Fujio）发明闪存，由于这种存储器的抹除流程很像相机的闪光灯，最终被命名为闪存。

闪存之父：舛冈富士雄博士

1988年，Intel生产出第一款商业性NOR Flash（闪存的一种）芯片。

NOR Flash的擦除速度很慢，但提供完整寻址与数据总线，允许随机存取存储器上的任何区域，NOR Flash多被用于ROM芯片，如主板上的BIOS芯片。

东芝在1989年的国际固态电路学会(ISSCC)上发表了另一种形式的闪存——NAND Flash。NAND闪存擦除速度更快，但是没有随机存取外部寻址总线，它必须以区块形式进行读取。NAND闪存也就是当前SSD使用的闪存形式。

金士顿V+200中使用的Intel NAND Flash，TSOP封装

根据每个存储单元能够储存的信息量，NAND闪存又被分为三类：SLC、MLC、TLC。

SLC的每个存储单元内存储1个Bit，称为单阶存储单元（Single-Level Cell，SLC），速度最快，耐久度最高，价格也最高。主要用于服务器市场上。

MLC的每个存储单元内存储2个Bit，因此叫多阶存储单元（Multi-Level Cell，MLC），速度比SLC慢,耐久度也比SLC低一些，当价格也降低了，更容易被消费级市场接受。正是MLC将SSD带入了家用可接受的成本范围内，推进了SSD的普及。MLC取得了速度、耐久度与成本之间的良好均衡。

TLC（三阶存储单元，Triple-Level Cell，TLC）的每个存储单元内可以存储3个Bit。由于每个单元可以存储更多的数据，TLC的成本进一步降低，但是随之而来的是写入速度和耐久度的再次降低。当前TLC NAND主要用于U盘、存储卡一类对于数据安全性要求不太高的领域。三星已经开始在最新的840系列SSD上试水TLC NAND，不过TLC在SSD上的使用经验还是较少，耐久度仍存疑问，尤其是三星从未公布过自己产品的耐久度参数。

在短期内MLC作为成熟的技术，仍将是SSD产品最广泛的使用选择。尤其是上期我们提到的SandForce主控所带来的压缩特性，能够降低写入放大率，将MLC产品耐用度提升到接近过去SLC产品方能达到的水平。

MLC表示数据的不同状态之间差异比较明显：

而TLC表述数据不同状态之间的差异比较小，更难判断也更易出错：


闪存的制程进步与PE次数：

闪存作为半导体产品，同样遵循摩尔定律，制程不断进步，集成度越来越高。带来的优势包括闪存容量的提升与单位容量价格的下降，使我们能够以更低的价格买到更大容量的SSD。但同时也带来一个令人头痛的问题：耐久度的下滑。

闪存在写入前必须先进行擦除，而闪存有编程和擦除的次数限制，这样每次的编程/擦除就叫做1个P/E(program/erase cycles)周期。

NAND制程处于50nm级别时，MLC的闪存普遍具有5,000-10,000次PE。而到了30nm级后，这一数值普遍为5000次PE；进入25nm时代，MLC的大众PE水平已经跌落到了3000次PE。在这一背景下，SandForce的低写入放大优势就更加明显。

MLC颗粒当前仍有3000次以上PE可用，比如V+200使用的颗粒耐久度就在3000PE以上，HyperX更是达到了5000次以上。而TLC由于本身耐久度实在太差（500次左右），对主控磨损平衡及写入放大是个极大的考验，应用前景仍不明朗。SandForce+MLC的方案仍是当前耐久度与价格综合效益最好的组合。

金士顿HyperX 120G的颗粒耐久度高达5000PE

記憶體主要分為Volatile(易揮發的), Non-Volatile(非揮發的),主要差別就是不給電資料還能不能保存!
Volatile: 如Fast-Page Mode, EDO DRAM, SDRAM, DDR SDRAM, DDR2 SDRAM, DDR3 SDRAM, SRAM, pSRAM.......
Non-Volatile: EPROM, EEPROM, NOR Flash, AG-AND Flash, NAND Flash, Serial Flash, CD, DVD, HDD,.......

早期的NVM(Non-Volatile Memory) 如EPROM,是用紫外光的照射來做編程, EEPROM則用電壓,
NOR Flash沿用了EEPROM的編程方式, 早期是用3.3V讀取,5V編程, NOR Flash是東芝首創,
但MLC的架構則是Intel的發明,最早用於NOR Flash上,
世界上的第一片N-AND Gate Flash也是東芝先產出,約莫是1994年,
但是到了1998年之後才有大量的應用,以KB為容量單位的Smart Media Card出現了,
接著以色列的M-System(幾年前被SanDisk Merge)實現了以USB為傳輸介面的非揮發性儲存媒體,
後來新加坡的Trek公司也有了同質的產品,原本任職於這家公司的兩位技術人員回到了中國,深圳,
成立了一家高新技術公司: 朗科, 開發出了自有的產品,並且申請了很多的專利,並且給了他一個很上口的名稱: U盤,
U盤是朗科起的名字,這個名稱是朗科所擁有的,今天被普遍地應用來稱呼USB Flash Drive.......

印象中最小容量的Chip應該是Samsung K9S4008x0x-YCx0(年代久遠,恕我記不得完整料號),
容量是512Byte, 8it Access,封裝用的是TSOP II 44pin,像早期的SDRAM,
後來才有2KB/Block(Large Block)的TSOP I 48pin封裝,也有WSOP的小型封裝方式,
當時Samsung每生產銷售一顆Flash都要付給Toshiba相應的權利金,但是在這個過程中,三星的實力不斷地累積..........

回顧歷史,Fujitsu也曾投入了NAND Flash的研發生產, 到了128Mbit, 由於資本投入的增加, 成本-利益考量,
約莫在01~02年淡出市場,接著NEC和Hitachi的記憶體部門合併到Renesas並以AG-AND NAND承接了這一塊,
同時期Infineon也另起爐灶.但是都沒辦法把路走遠.........
04年左右,ST以技術授權和Hynix合作的方式形成了第三勢力的NAND Flash供應者,
打破了長久以來的東芝-三星的恐怖均勢, 不到兩年Micron也投入了這一塊戰場,並把Intel拉下水,
ST/Hynix的合作關係沒有維持太久,ST把這一塊轉到合資公司的Numonyx,並退出這塊的銷售.......
早期的IMFT是Micron投資半座,Intel投入一座晶圓廠的產能為基礎的合資公司,產地皆在美國本土,
需求不斷地成長,為了擴大市佔,於是IMFT又在新加坡開了十二吋晶圓廠,
到了這個時期,SanDisk也由三星,東芝的客戶轉化為東芝的夥伴,共享Fab 5的產能,
東芝Fab 5等於前面四座晶圓廠產出總和的1.5倍,目前以位元的總產出量計算排名,(有的增產,減產數字略有差異)
三星第一,超過30%, 其次是東芝, SanDisk居第三, 二,三名的總和比三星略多, Hynix第四,約1x%
Micron約佔8~9%, 最後是Intel,其他的如SMIC, 力晶的產能對Flash市場的影響微不足道......

没想到闪存是东芝发明的，我一直以为是Intel/美光...

840虽然快，TLC还是不大让人放心。。。MLC才是主流啊

舛冈富士雄，居然是日本人发明的啊，好像没申请专利？倒是很默默无闻啊，造福大众了

今年会是主流？支持TLC的主控都还只有三星一家，你这主流从何而来？更别说耐久度问题了
@Ramaxel

pc028 发表于 2013-1-14 11:51
舛冈富士雄，居然是日本人发明的啊，好像没申请专利？倒是很默默无闻啊，造福大众了 ...

NHK有一个纪录片《重登顶峰：技术人员20年的战争》就是讲这件事
http://v.youku.com/v_show/id_XMjA0NDU5NDg4.html

frontwing 发表于 2013-1-14 12:32
NHK有一个纪录片《重登顶峰：技术人员20年的战争》就是讲这件事
http://v.youku.com/v_show/id_XMjA0NDU5 ...

好像就是他呀？挺像

比手指还小的颗粒，能存进那么多的数据，真是太神奇了

竟然是日本人发明的~~

小日本，我顶你。怪不得东芝的NAND颗粒这么强悍啦。

雷雷雷 发表于 2013-1-14 11:55
今年会是主流？支持TLC的主控都还只有三星一家，你这主流从何而来？更别说耐久度问题了
@Ramaxel  ...

记得在那里看过SF主控支持SLC.MLC.TLC的。

那个对比图是亮点

炸死企鹅 发表于 2013-1-14 16:18
记得在那里看过SF主控支持SLC.MLC.TLC的。

支持不了TLC哟http://www.lsi.com/products/stor ... s/SF-2200-2100.aspx

Flash Memory Support:
MLC from numerous top flash memory manufacturers
SLC up to 128 GB* of total capacity
19 nm, 20 nm-class, and 30 nm-class (Asynch, Toggle, ONFi2; up to 166MT/s)

话说这个颗粒都是用从硅圆上弄下来的，他一小块一小块的，那圆上边下那些废料怎么处理啊？
还有，所谓的体质，具体的物理特性是什么？

坐等qlc，以后ssd变成ssd-r

固特异轮胎 发表于 2013-1-14 20:07
话说这个颗粒都是用从硅圆上弄下来的，他一小块一小块的，那圆上边下那些废料怎么处理啊？
还有，所谓的体 ...

黑片U盘什么的，你懂的
听说好像废料都论斤称的~

ggxuelei 发表于 2013-1-14 20:28
黑片U盘什么的，你懂的
听说好像废料都论斤称的~

要论吨吧...

固特异轮胎 发表于 2013-1-14 20:30
要论吨吧...

其实我觉得那些太渣的部分该强制销毁的，卖出去还是有人收，然后最后还是被卖给消费者了

ggxuelei 发表于 2013-1-14 20:33
其实我觉得那些太渣的部分该强制销毁的，卖出去还是有人收，然后最后还是被卖给消费者了 ...

有人要就有市场

金士顿HyperX 5000PE是不是和Intel 520是一样的了？