非易失性存储器行业的先驱

英特尔/微米NAND闪存芯片



非易失性内存（NVM）设备是电子读写存储设备，在关闭电源后仍继续存储信息。这些包括基于磁盘和某些类型的半导体芯片的设备。半导体非易失性设备在数字世界的各个方面都发挥着重要作用-从云中巨大的数据库的存储单元到便携式个人设备，是4000亿美元半导体行业最大的细分市场之一。



像任何重要的半导体产品一样，从晶体管到微处理器，NVM设备与早期探索者的工作相距甚远。在本文中，我们按时间顺序分享了其中的一些先驱者及其所作的贡献，从1960年在飞兆半导体（Fairchild）提出想法的初期开始到20世纪最后十年的大规模生产闪存芯片。



杰夫·卡兹（Jeff Katz）代表半导体特殊利益集团（SIG）记录了与口述历史集有关开发商用NVM半导体器件的参与者的访谈计算机历史博物馆。下面引用的许多个人评论都来自采访笔录，可以通过文本中的链接进行访问。

半导体非易失性存储器之前

在半导体器件问世之前，非易失性计算机存储最成功的技术是磁芯存储器，它利用了磁滞效应。在他的论文中1952年，他的麻省理工学院博士达德利·巴克（Dudley Buck）描述了铁电晶体，该铁电晶体使用类似的磁滞机制来存储和磁化数字信息。贝尔电话实验室的Reid Anderson和Walter Merz在1955年展示了铁磁存储设备，该设备是NVM半导体架构的先驱。他们使用沉积和蚀刻技术，制造了由金属路径连接的256位晶体阵列。后来，这种技术开始应用于半导体集成电路的生产。





图片来自《科学美国人》杂志，1955年6月。



总部位于科罗拉多斯普林斯的Ramtron创始人拉里·麦克米伦（Larry McMillan）和乔治·罗尔（George Rohr）率先推出了铁电随机存取存储器（FRAM）设备，该设备于1952年问世。

NVM单元技术的发展-前四个十年

在1960年代，开始研究设计半导体NVM单元的两种主要技术。在“浮栅”单元中，电荷存储在未连接到外部电路的电极上。 “电荷捕获”（通常称为“氮化物捕获”）使电荷可以存储在连接到有源电路的氮化硅层中。两种技术都有望带来显着的好处，并降低了制造成本，易于使用以及对于各种应用程序的数据保留。



使用这两种技术的商业组件和系统在1970年代开始出现。基于电荷捕获的产品通常被称为EAROM（电可擦只读存储器），而第一批浮栅器件被称为EPROM（可擦可编程ROM）。



到1980年代，浮动快门存储器已成为市场上的主导技术。EPROM及其增强功能，包括首批闪存产品，已成为全球半导体行业利润的重要部分。在1990年代，闪存技术为NVM设备提供了新的机遇，并且它们开始用于固态驱动器和消费类数字设备。

1960年代-记忆元件的先驱

Sa Zhitan，大约1989年



，Palo Alto Fairchild研究实验室的Sa Zhitan于1961年报告说，电荷可以“长时间（几天）”存储在表面控制的四极MOSFET¹的栅电极上。他指出，在与飞兆半导体的创始人Victor Greenich和工程师Frank Wanless进行的一次对话中，他们“立即了解了这种发现在浮动快门存储设备中的潜力。”他们没有提出产品创意，因为当时公司忙于解决MOSFET工艺中的基本稳定性问题。



关于电荷捕获存储单元的最早文献记载是在1960年代中期在美国两个海岸的实验室中创建的。 1966年，西屋中央研究实验室的Edgar Sack，Chu Ting等人将金属-氮化物-氧化物-硅（MNOS）结构用作电荷俘获元素³。 Chu和John Scedon在1967年在圣塔芭芭拉举行的固态设备研究会议上讨论了西屋MNOS元素。这项技术已转移到该公司位于Youngwood的半导体部门，以开发电子火炮熔断器以取代机械熔断器。





约1959年，位于Youngwood的Westinghouse半导体部门的清洁区。由E. Sack摄



在1967年同一年，由Sperry Rand研究中心（马萨诸塞州萨德伯里）的Richard Wegener领导的六位科学家描述了一种带有电荷捕获功能的电可编程坚不可摧MNOS存储设备。 Wegener在1968年的NASA报告“对自适应设备的新概念的研究”中指出，MNOS是“第一个提供电可编程的非易失性存储功能的半导体设备”。



Dov Frohman-Benczkowski于1965年加入位于帕洛阿尔托的飞兆半导体研究实验室。同时，他在加利福尼亚大学伯克利分校撰写了题为“ MNOS结构中的电荷转移和捕获及其在存储设备中的应用”的博士学位，“他比大多数教授更了解这一主题”。 [采访Dov Frohman ]。根据他的工作，他开始了专利申请程序，该程序在他离开公司后就已注册。该专利申请包括用于创建9位MNOS逐字存储器的掩膜结构，他制作了这种掩膜结构以演示大规模集成存储阵列的功能。





Dawon Kang和Simon Zee



在1967年的午餐时间在贝尔电话实验室（BTL）研究四层芝士蛋糕时，Murray Hill，Dawon Kang和Simon Zee提出了增加第四层浮层以将电荷存储在MOSFET中的想法。为了证明这一概念的可行性，他们在实验室制造了几十个设备。 “这些设备持续了长达一个小时，然后电子开始泄漏” [ Simon Zee访谈]... “我的老板说这完全没用……谁将从这种设备中受益？” Zee说。允许他们在1967年7月在《贝尔系统技术杂志》上发表的文章“浮动百叶窗及其在存储设备中的应用”中发表其工作结果，但BTL并未提出这个想法。“他们只是把它放在架子上。”





非晶半导体上的256位RMM ECD / Intel，1970年



众多发明和企业家Stanford Ovshinsky在科学界引起轰动，1968年在《纽约时报》上发表关于基于Ovshinsky元素创建带有内存的开关。该设备是由他在密歇根州特洛伊市的能源转换设备（ECD）实验室开发的，它使用非晶硫属化物材料制成一个开关，当施加的电压达到一定值时，该开关便会导通或关断。奥夫辛斯基说，与晶体管相比，他将能够生产出更小，更快，更简单，更可靠和更便宜的电子电路。在ECD从事交换技术工作的硕士生Charles Xi说，该技术的主要优点是“信息可以永久存储（数据保留没有时间限制）”。 [查尔斯·C访谈]



不久之前，英特尔创始人罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）和戈登·摩尔（Gordon Moore）与Ovshinsky合作研究了创建非易失性存储器的技术，以补充其未来基于双极和MOS晶体管的RAM。ECD的Gordon Moore，Ron Neil和D. Nelson在1970年发表的一篇文章中描述了一个256位的Readlylyly Memory（RMM），它由夹在两个钼电极之间的非晶半导体材料制成。英特尔仅限于这种概念的演示，并未开发基于该概念的产品，但是，它已重生，成为3D XPoint相变存储器的基础，英特尔和美光科技在2015年宣布了这一点。英特尔以Optane品牌出售成品。

1970年代-工业NVM产品的出现

西屋（Westinghouse）BORAM多芯片模块，1975年左右。



在1970年代初，非易失性MNOS存储设备被证明是航空航天和国防系统设计者的诱人选择。美国空军与Sperry Rand签订了建造1024位EAROM阵列的合同，西屋公司为美国陆军和其他客户设计了电可重新编程的面向块的RAM（BORAM）混合模块。位于陶瓷基板上的多个芯片确保了轻巧紧凑的飞机和便携式系统。



Dov Frohman于1969年移居英特尔，继续他对MNOS存储技术的研究。但是，在调查公司新的硅栅制造工艺中由电荷迁移引起的稳定性问题时，他提出了在浮栅导体中存储电荷的另一种想法。 “这是我所谓的FAMOS（浮栅雪崩注入金属氧化物半导体）器件的演变……这是EPROM的基础。” [ Dov Frohman访谈]在申请建筑专利之前，他不熟悉Bell Labs的Kang和Zee的工作。





杜夫·弗洛曼·本茨科夫斯基（Dov Frohman-Benczkowski），摄于1971年左右。照片：英特尔公司



Frohman停止了对MNOS驱动器的进一步研究，将重点放在浮栅产品的设计上。1971年，英特尔推出了2048位EPROM，标记为1702。在这种情况下，只有在通过石英窗通过UV辐射对芯片进行物理处理之后才能使用。不需要昂贵的擦除窗口的便宜的一次性可编程（OTP）版本已在基于微处理器（MPU）的系统中流行。直到1980年代中期，几代更大，更快的EPROM构成了英特尔最赚钱的产品线。





石英窗口会透射紫外线以擦除EPROM数据



日本半导体制造商很快意识到EPROM的商业潜力。东京电气技术实验室的集成电路先驱Yasuo Tarui及其同事于1971年在东京举行的固态器件会议上提出了一种浮栅器件。其次是许多研究文章和日本公司的成功商业产品。





GI的EAROM手册，1983



年1969年，埃德·萨克（Ed Sack）离开西屋，前往纽约希克斯维尔的通用仪器公司。他在那里担任微电子部门的副总裁兼总经理，该部门是消费电子领域MNOS技术的商业化的先驱。他对Westinghouse（“带着政治破折号的绅士俱乐部”）和GI（“带着街头打折破折号的曼哈顿下东城”）的比较表明，这个时代的军事和商业半导体企业之间存在着重大的文化差异。 [ Ed Sack的个人故事]



1975年，GI推出了ER1400位串行EAROM，并辅之以16位CP1600微处理器（与霍尼韦尔（中国）共同开发）。这些产品针对的是全固态数字电视调谐器芯片组，并已售出数百万美元。几十年来，GI一直在为消费类产品生产低成本的EAROM设备。



探索非易失性MNOS存储器技术的其他制造商包括McDonnell Douglas，三菱，NCR和RCA。然而，由于浮栅产品领域的激烈竞争，器件数量的快速增长和价格的下降使EPROM成为大多数应用的首选非易失性解决方案。



诸如电擦除功能的改进进一步增强了浮动百叶窗设备的位置。休斯微电子公司（加利福尼亚州纽波特比奇）的埃里·哈拉里（Eli Harari）于1976年提出了“可以将Frohman-Benchkovski器件中的栅极氧化层从1000埃减少到100埃，从而进行电编程和擦除的想法”避免了缓慢的紫外线外部擦除。 [ Eli Harari访谈] 1980年，休斯推出了标记为3108的8KBE电可擦除PROM（EEPROM）和称为NOVRAM的非易失性SRAM芯片。





George Perlegos



George Perlegos为英特尔在NVM方面的重要发展做出了贡献，其中包括第一个EEPROM：1978年生产的16K 2816器件。 Perlegos与Gordon Campbell和Phil Salisbury一起于1981年创立了SEEQ Technology。在该公司，Perlegos领导了5213的开发，该产品于1982年发布，是单个5伏EEPROM，旨在消除对单独的高压电源的需求。它的设计包括一个电荷泵，该电荷泵产生支持编程所需的电压。 “要创建这种存储器，我们需要设计电荷泵，使其小到可以容纳每一列和每一行。” [乔治·佩雷格斯访谈为了鼓励在要求高可靠性的应用中使用其设备，SEEQ宣称它们能够承受至少一百万次写周期。



前国家半导体工艺工程师Raphael Klein于1978年在加利福尼亚州米尔皮塔斯创建了Xicor，专注于NOVRAM和EEPROM器件。在早期阶段，Xicor与SEEQ共同分享了新兴市场的增长，但是由于无法应对大规模低成本设备的生产竞争，它于2001年终止了工作。

1980年代-Flash架构的出现

1980年，日本川崎东芝研发中心的藤冈增冈（Fujio Masuoka）聘请了四名工程师：浅野M.，H。Iwahashi H.，T。Komuro和S. Tanaka来研究用于低成本大规模设备的NVM芯片。现有的EPROM在每个存储单元中使用两个晶体管。工程师设计了一种更紧凑的单晶体管单元，其连接方式类似于或非门。 Masuoki的同事Shoiz Ariizumi提出了“闪光灯”的名称，因为擦除必须以照相机闪光灯的速度进行。 Masuoka在旧金山举行的1984年国际电子设备会议（IEDM）上谈到了NOR闪存单元。尽管他设法减小了细胞大小，由于生产具有三层多晶硅的器件所需的MOS结构的问题，东芝没有实现本发明的商业版本。



根据Harari的说法，初创公司Exel Microelectronics，Inc.的Satyen Mukherjee和Thomas Chan （加利福尼亚州圣何塞）设计了可以工业制造的闪光灯结构。它成为后来被英特尔称为NOR闪存的基础。





Masuoka Fujio Masuoka



抵达华盛顿为与TI的专利诉讼中的一家公司辩护，提出了NAND​​ Flash体系结构的想法，该结构与NOR Flash相比可以提供更小的单元尺寸和更快的写入/擦除速度。 Masuoka回来后，向东芝消费电子产品开发主管Hiseo Tajiri询问，具有四兆位NAND闪存的数码相机是否可以代替胶片。 [ Fujio Masuoka的采访] Tajiri意识到NAND确实可以代替胶卷，这导致相机部门为该项目提供了资金。 Masuoka在1987年华盛顿特区的IEDM上谈到了该器件，并于1992年开始生产16Mbit NAND闪存芯片。



他认为东芝对自己的工作没有得到足够的回报感到不满，1994年，Masuoka辞去了工作，成为东北大学的教授。与该公司的日本忠诚文化相反，他起诉前雇主要求赔偿，并于2006年以8700万日元（75.8万美元）的总价解决了这一纠纷。



Stefan Lai加入了Intel的Santa Clara部门，以开发可扩展的EEPROM技术。他与Dick Pashley合作，创造了一种方法，可以在预先存在的小型EPROM单元中添加电擦除功能，从而创建可以使用标准制造工艺制造的NOR Flash体系结构。 NVM说这项技术行不通，因此Lai和Pashley与Gordon Moore会面，后者告诉他们：“我会做的，不要大惊小怪。” [英特尔Flash访谈]在加利福尼亚州的福尔松开始开发基于Flash的新型商务设备后，Pashley和Lai以及设计师Niles Kynett一起在1986年展示了工作芯片，并于1987年发布了256千比特的NOR Flash产品。 ...



到1980年代后期，所有制造技术的半导体NVM器件的全球市场已超过20亿美元。那个时代最受欢迎的产品是64Kbps，128Kbps，256Kbps和1Mbps EPROM，并且第一个2Mbps设备开始出现。以AMD，英特尔，摩托罗拉，SEEQ和TI为首的美国制造商获得了大约50％的全球市场利润。剩余利润在欧洲主要是SGS-汤普森（10％）和日本供应商富士通，日立，三菱，NEC，冲木，东芝（40％）之间分配，但它们的供应受到政府生产配额（MITI）的限制。

1990年代-固态硬盘和新消费者应用

在1990年代，闪存技术为NAND和NOR配置的NVM设备创造了新的可能性。NOR Flash体系结构具有随机访问和快速读取的优点，其就地执行（XIP）功能非常适合代码执行，因此非常适合数据处理。NAND闪存的读取速度较慢，但​​单元大小却小得多，从而允许使用低成本，高密度的设备，非常适合外部存储。此外，对NAND块的读/写访问模拟了对磁盘驱动器的访问。





适用于IBM的SanDisk（以前称为SunDisk）SSD原型（1991年）



埃里·哈拉里（Eli Harari）于1970年代在休斯飞机公司率先开发了薄氧化物工艺，他于1988年创立了SunDisk（后更名为SanDisk），以开发基于闪存的大容量存储设备。不久，联合创始人Jack Yuan和Sanjay Mehrotra以及系统架构师Robert“ Bob” Norman一起加入了他。该公司的第一笔主要订单是在1991年用10,000个即插即用的20MB 2.5英寸ATA设备取代了IBM ThinkPad PC中的20MB Connor硬盘。当时，闪存的可靠性很低，但是客户对原型设备的反馈使Harari感到鼓舞：“如果整个周末多个设备对我来说运行顺利，那么您将拥有一个不错的产品。” [ Eli Harari访谈]



被要求的改进的制造过程和快闪存储器系统的体系结构几代实现的可靠性用于商业应用所需的水平。 Harari将元数据嵌入到允许其固件执行错误纠正的设备中，从而向用户隐藏了可靠性问题，而可靠性问题对于该技术的普及至关重要。带有SSD的主流笔记本电脑在2000年代末上市，而现代SSD是计算机存储市场中增长最快的部分。





SanDisk创始人：Yuan，Mehrotra和Harari



SanDisk在1994年推出用于数码相机的CompactFlash卡后，有了新的机遇。 “我们意识到，要代替其他人出售胶卷或相机销售商，我们需要为闪存卡创建一个二级市场。 Mehrotra说：“将其转变为国际品牌是公司历史上的转折点。 [ Sanjay Mehrotra访谈] 2016年，SanDisk被Western Digital收购。



现代闪存技术将在2019年主导超过500亿美元的NVM设备市场，并且是全球半导体行业中最大的细分市场。三星已成为最大的闪存芯片供应商，占有大约30％的市场。其他主要供应商是东芝和Western Digital。

闪存峰会成就奖

每年，“闪存峰会”都会向那些在推动闪存和相关技术的开发，使用方面发挥领导作用的个人颁发“终身成就奖（LAA）”。上面未提及的提名人包括三星的Kinam Kim，他因在3D NAND开发方面的进步而获奖，以及M-Systems的Dov Moran和Aryeh Mergi的创新，包括手机中的嵌入式闪存，用于文件的文件系统。闪存和USB闪存驱动器。

采访记录链接

, №0341, Science History Institute



, 102702214, Computer History Museum Collection



, 102745933, Computer History Museum Collection



Flash Intel, 102658199 Computer History Museum Collection



, 102740455, Computer History Museum Collection



, 102746703 Computer History Museum Collection



, 102746703 Computer History Museum Collection



, 500001027 Computer History Museum Collection



查尔斯·C（Charles C.）的访谈，目录102746598计算机历史博物馆 收藏



，西蒙·泽（Simon Zee）访谈，目录102746858计算机历史博物馆 收藏

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