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“闪”速前进:庆祝闪存创新 40 周年

美光科技 | 2024 年 12 月

如果您忘记过某件重要的事,就可能切身体会到了“人脑记忆”的局限性。人类最初尝试“存储”信息可以追溯到旧石器时代,原始部落居民会在木棍或骨头上做记号,用于记录收获的物品和交易活动。

随着时代的发展,人类早已不再使用木棍和骨头来存储信息。如今,我们广泛使用“闪存”来保存数据。
 

什么是闪存?为什么它会无处不在?
 

无论您是否意识到,我们身边到处都有闪存的影子。它在您的智能手机里、数码相机里,也可能在您的汽车里。如果没有闪存,我们每天使用的许多技术工具将无法运行。那么,什么是闪存?为什么它的应用如此广泛?

在庆祝闪存诞生 40 周年之际,我们将通过本文回答这些问题,介绍闪存技术对业界的重大影响,以及美光在闪存发展过程中的重要作用。
 

闪存揭秘:技术原理


我们先来了解一下闪存的定义:闪存是一种非易失性存储器,在断电之后仍然能够保留数据。这种特性有别于易失性随机存取存储器 (RAM),RAM 中的数据在断电后会丢失。

非易失性存储器在很久之前便已出现。在闪存诞生之前,数据存储在被称为“可擦除可编程只读存储器”(EPROM) 的芯片中。EPROM 出现后,非易失性存储器领域经历了一系列创新,最终发展到如今的闪存。闪存用途极为广泛,包括我们日常使用的 U 盘、存储卡和 SSD 等紧凑型高可靠存储解决方案。
 

闪存:数据存储领域的划时代发明
 

虽然 EPROM 可以长期保存数据,但它存在一些缺点,比如成本高、功耗大等。此外,如果想要重新写入数据,必须用紫外光照射 EPROM,以便完全擦除其中的数据。

在发明后的几十年里,EPROM 一直是大多数电子产品中的标准数据存储方法。但是,手动擦除和重写信息的过程非常不便。

因此,上世纪 80 年代,东芝公司的 Fujio Masuoka 博士开始研究 EPROM 的替代技术。他与团队最终开发出了一种存储设备,擦除数据的速度非常快,就像相机中的闪光灯一样,因此得名为“闪存”。
 

为什么闪存在现代设备中必不可少?


从诞生之日起,闪存就凭借可靠而高效的数据存储方式彻底改变了技术行业。它在内部对一系列单元格进行操作,每个单元都包含一个浮动或替换栅极晶体管。这些晶体管可以容纳电荷,以电荷的有无代表二进制数据(0 和 1),通过操作电荷来读取和擦除数据。

美光营销总监 William Stafford 表示:“现代闪存支持电擦除和编程,从系统设计和测试的角度来看,开发新产品时将会非常灵活。”

得益于这种灵活性,闪存是许多现代电子产品中必不可少的器件,可以帮助实现各种功能。例如,移动设备使用闪存来存储操作系统 (OS)、照片和应用等数据。智能汽车使用闪存来存储关键信息,如导航地图、校准设置和信息娱乐系统中的用户偏好。
 

闪存的类型:NOR 与 NAND


闪存有两种类型:NOR 闪存和 NAND 闪存,适用于不同的应用。NOR 闪存采用“或非”逻辑门电路,具有较快的读取速度和随机访问能力,可用于存储需要高速读取的小数据集和直接在芯片上执行的代码(软件)。NOR 闪存常用于不需要存储大量数据的设备,如微控制器、工业设备和汽车电子设备等。

NAND 闪存采用“与非”逻辑门电路,具有较快的写入速度和更大的存储容量。NAND 闪存用于需要存储大量数据和代码的技术设备,例如笔记本电脑、移动设备和数据中心的 SSD 等产品。
 

美光与闪存的发展:从 RAM 到全球存储市场佼佼者


美光同时销售 NAND 和 NOR 存储解决方案,是当今时代闪存领域的全球佼佼者。不过,美光在存储产品领域的起步较晚,这一点可能会让人感到惊讶。2006 年,美光首次进入 NAND 闪存领域。当时美光与英特尔成立了一家合资企业,名为 IM Flash Technologies。

由于美光长期生产 SRAM 和 DRAM 内存设备,因此闪存解决方案非常适合公司的业务模式。因为在许多情况下,同一系统会同时需要这两种技术。

Stafford 表示:“美光的领导者一直富有远见,他们知道内存和存储产品将会同步发展。如果系统中有大量代码在运行,有大量数据通过 DRAM 传输,那么就需要在某个地方存储这些数据。他们把所有这些需求整合在一起,推出了完整的解决方案。”

美光是率先出货业界第 9 代 NAND SSD(即美光 2650 SSD)的公司。

3D NAND 技术:美光如何突破存储极限


2015 年,美光团队推出了 3D NAND 技术,采用垂直堆叠的存储单元,可提高存储密度并降低成本。2020 年,美光在全球率先批量出货 176 层 3D NAND 闪存,可提供更佳的业界前沿密度和性能。在 3D NAND 技术取得成功的基础上,美光于 2022 年在全球率先推出了 232 层 NAND,为存储密度和性能树立了新标杆。凭借这些创新,美光在客户端、移动设备和数据中心市场获得了新的机遇。

美光销售支持经理 Matt Wokas 在闪存诞生早期就参与了相关工作,他预计未来 NAND 的层数还将继续增加。Wokas 表示:“最早的 NAND 是 24 层,现在已提高了约 10 倍。随着未来的技术进步,层数还将继续增加,可容纳更多数据。”

通过在 NAND 闪存中堆叠更多存储层,制造商可以在相同的物理空间中容纳更多数据,从而使较小的设备(如智能手机、平板电脑、物联网设备)能够拥有更多存储空间,而无需搭载体积更大的存储部件。对于数据中心等规模更大的应用,这意味着相同的占地面积可以存储更多数据,从而提高空间效率。

美光 9550 SSD 是 3D NAND 技术创新和进步的典范。它具有极高的速度、可扩展性和能效,专为管理关键工作负载而设计,包括 AI、高性能数据库、缓存、在线交易处理 (OLTP) 和高频交易等。美光 9550 SSD 支持这些工作负载,并可在云端、数据中心、OEM 和系统集成商设计中灵活部署。

美光的 NOR 闪存创新和应用
 

美光于 2010 年开始开发 NOR 设备,一经推出,便凭借高性能和可靠性而广受赞誉,且已用于各种应用,包括汽车、工业、消费者和网络等,

这些设备拥有更快的读取速度和更低的功耗,已成为注重能效的高性能应用的理想选择。
 

闪存创新 40 年:美光的影响力和愿景


总体而言,美光为闪存发展所做的贡献包括持续推出创新技术、推动战略增长,以及致力于为各行业应用提供高性能、高可靠性内存解决方案。

如今,美光拥有更广泛的内存和存储产品组合,包括专用 SSD,例如全球首款支持 SR-IOV 的汽车级四端口 SSD (4150AT SSD),旨在加速现代汽车内部的数据密集型自动驾驶和 AI 工作负载。

回顾闪存的 40 年发展历程,我们可以看到,美光在构建持久存储解决方案方面已取得了长足进步。如今的 NAND 闪存支持在单个设备中存储数 TB 的数据。与早期的存储卡相比,容量提升了数百万倍。NAND 闪存现已广泛用于各种设备,从智能手机、笔记本电脑,到企业存储解决方案和云计算等。NAND 闪存在 AI、大数据和物联网等领域发挥着至关重要的作用。随着第九代 3D NAND 技术 G9 的推出,美光的前景充满光明。与竞品相比,该技术的数据传输速率可提升 50%,读写带宽同样大幅提升。该技术旨在满足 AI 和云计算等以数据为中心的工作负载的需求。

然而,我们也深知,还有很多新领域等待我们去探索。美光将继续开发前沿创新技术,助力改变世界使用信息的方式,丰富全人类的生活。

Wokas 表示:“我认为,美光目前的产品组合可能是我加入公司之后最强大的。过去几年里,我们已成为闪存芯片和固态硬盘领域的技术领导者。”

如需了解有关美光 NANDNOR 闪存的更多信息,请访问 micron.com,获取产品信息和应用洞察。