杂谈闪存二：NOR和NAND Flash

三星终于从爆炸门中走了出来，受到来自DRAM 与NAND 价格上涨带动，三星把Intel从盘踞了14年的半导体王座上赶了下来，风光可谓一时无两。虽然下半年市况预料将会修正，但今年整体DRAM 仍可较去年成长39%，NAND 则成长25%，而这两项恰恰曾经帮助过Intel走向巅峰，真是成也萧何，败也萧何啊。说起NAND Flash，他和他的哥哥NOR Flash可谓是20世纪最重要的发明之一，他的诞生和发展很是曲折，生于日本，长于美国，如今却在韩国大放异彩。今天的历史故事要从他的发明人桀冈富士雄（Fujio Masuoka）和他的狗血东家说起。

历史

Intel很早就发明了EPROM，这是一种可以用紫外线擦除的存储器。相较于ROM，它的内容可以更新而且可以保持10～20年，老式电脑的BIOS都存储于此。

（Intel 1702）

它的顶部必须被覆盖住，以防被阳光里的紫外线擦除。后来Intel在其基础上于1978年发明了电可擦除的升级版叫做EEPROM。不需要阳光的帮忙，方便多了，可是读取和擦除速度却非常缓慢。

这时我们的主人公富士雄出场了，他于1971年加入了东芝公司。受到了EEPROM的启发，他开始利用自己夜晚和周末的时间钻研一种能快速擦除的EERPOM。他在1980年取得突破，申请了一个叫做simultaneously erasable EEPROM的专利。然而，日本大公司的论资排辈却让这项划时代的发明石沉大海，直到4年之后。

“我终于被提拔了，可以不要批准就去工厂，让工人们帮忙做出样品了”，富士雄说。当他拿着他的样品参加当年的IEEE大会的时候，NOR Flash引起了轰动，以至于当他回到日本后，他的老板总是被Intel打来的要样品电话骚扰。他被奖励了几个人手帮忙，而这些人却是part-time的。而在大洋的另一边，Intel在收到样品后，立刻派出300多个工程师全力研发自己的版本。由于新发明的这种EEPROM擦除速度飞快，富士雄的同事建议他把这种技术取名Flash，暗合相机的闪光灯飞快闪烁之意。

东芝公司并没有把NOR flash技术当作宝贝，只是不想要别人插手而已。所以不停的起诉任何希望染指的公司，如TI公司。而富士雄却并没有停止他的追求，在1986年发明了NAND Flash，大大降低了制造成本。由于他的贡献，东芝奖励了他一笔几百美金的奖金和一个位置很高却悠闲的职位。做为一个工程师，他忍受不了这种待遇，不得不辞职进入大学继续科研。

东芝公司的短视很快招来了市场的惩罚。Flash市场迅速扩张，在90年代末期就达到数百亿美金的市场规模，Intel是这个市场的霸主，而东芝公司只享有很小的份额（NAND，NOR几乎没有）。在很长一段时间，东芝公司甚至不承认NOR flash是他发明的，说是Intel发明的。直到IEEE在1997年颁给富士雄特殊贡献奖后才改口。

富士雄觉得自己的贡献被东芝公司抹杀了，他愤然于2006年起诉了公司，并索要10亿日元的补偿。最后他和东芝公司达成和解，得到8700万日元（合758,000美元）。富士雄没有依旧停止自己的脚步，在获得进200个专利后，他还在向着下一个big thing进发。

无疑富士雄是个英雄，有人说应该颁给他诺贝儿奖，他也是我还可以记得名字的发明人之一，而其他的很多技术发明人却泯然众人矣。从这个故事中也可以折射出日本大公司的官僚主义和大公司病。

NOR VS NAND

那么什么是NOR Flash和NAND Flash？我们先来看看他们芯片的样子：

（左边是NAND,右边是NOR）

他们的电气原理我就不讲了，感兴趣的人也不多。我们这里主要聚焦在他们的共性和特性上。

1。共性

A. 都是非易失存储介质。即掉电都不会丢失内容。

B. 在写入前都需要擦除。实际上NOR Flash的一个bit可以从1变成0，而要从0变1就要擦除整块。NAND flash都需要擦除。

2。特性

特性是决定使用哪种Flash的根据，我这里总结出一张表：

如果以美光（Micron）自己的NAND和NOR对比的话，详细速度数据如下：

（数据来源Micron）

如果我们单独看随机读取速度：

（数据来源Micron）

如果用现在流行的关系图看是这样：

（数据来源Toshiba）

应用场景

在PC和手机上我们都可以找到NOR和NAND Flash的身影。

1。NOR Flash

NOR Flash和普通的内存比较像的一点是他们都可以支持随机访问，这使它也具有支持XIP（eXecute In Place）的特性，可以像普通ROM一样执行程序。这点让它成为BIOS等开机就要执行的代码的绝佳载体。

NOR Flash 根据与 Host 端接口的不同，可以分为 Parallel NOR Flash 和 Serial NOR Flash 两类。

Parallel NOR Flash 可以接入到 Host 的控制器 上，所存储的内容可以直接映射到 CPU 地址空间，不需要拷贝到 RAM 中即可被 CPU 访问。NOR Flash在BIOS中最早就是这种接口，叫做FWH（Firmware HUB），由于其接是并行接口，速度缓慢，现在基本已经被淘汰。Serial NOR Flash 的成本比 Parallel NOR Flash 低，主要通过 SPI 接口与 Host 也就是PCH相连。

现在几乎所有的BIOS和一些机顶盒上都是使用NOR Flash，它的大小一般在1MB到32MB之间，价格昂贵。

2。NAND Flash

NAND Flash广泛应用在各种存储卡，U盘，SSD，eMMC等等大容量设备中。它的颗粒根据每个存储单元内存储比特个数的不同，可以分为 SLC（Single-Level Cell）、MLC（Multi-Level Cell） 和 TLC（Triple-Level Cell） 三类。其中，在一个存储单元中，SLC 可以存储 1 个比特，MLC 可以存储 2 个比特，TLC 则可以存储 3 个比特。

NAND Flash 的单个存储单元存储的比特位越多，读写性能会越差，寿命也越短，但是成本会更低。

现在高端SSD会选取MLC甚至SLC，低端SSD则选取TLC。SD卡一般选取TLC。

3。其他

1. 最早的手机等设备之中既有NOR Flash也有NAND Flash。NOR Flash很小，因为支持XIP，所以负责初始化系统并提供NAND Flash的驱动，类似Bootloader。而NAND Flash则存储数据和OS镜像。三星最早提出Norless的概念，在它的CPU on die ROM中固话了NAND Flash的驱动，会把NAND flash的开始一小段拷贝到内存低端作为bootloader,这样昂贵的NOR Flash就被节省下来了，降低了手机主板成本和复杂度。渐渐NOR Flash在手机中慢慢消失了。

2. NOR Flash最大的问题是擦写慢和可擦写次数少，但是很少会因为这个原因造成BIOS速度降低和损坏，你知道是为什么吗？

尾声

NAND Flash相对NOR Flash更可能发生比特翻转，就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法，同时NAND Flash随着使用会渐渐产生坏块；我们在使用NAND Flash的SD卡上经常使用FAT文件系统，如果大家度过前面的文章（传送门：FAT文件系统与UEFI - 知乎专栏）就会知道，文件分配表会被频繁改写，而每块的擦写次数是NAND Flash寿命的决定性因素。如何才能平衡各块的擦写和为可能的坏块寻找替换呢？通常需要有一个特殊的软件层次，实现坏块管理、擦写均衡、ECC、垃圾回收等的功能，这一个软件层次称为 FTL（Flash Translation Layer）。根据 FTL 所在的位置的不同，可以把 Flash Memory 分为 Raw Flash 和 Managed Flash 两类：

最早大家都是使用raw Flash，FTL全由驱动程序实现。后来发展到SD和eMMC等，则由设备固件实现抽象。

FTL的原理是我们下一篇的主要内容。

巨亏1269万亿韩元，三星“翻滚”下坡

三星财报又又又暴跌了。

近日，三星电子披露的财报数据显示，今年第三季度营业利润为2.4336万亿韩元(约合人民币132.25亿元)，同比减少77.57%；销售额为67.4047万亿韩元，同比下滑12.21%。

令人惊讶的是，三星亏损最大的业务，居然是它引以为傲的半导体部门。

三星2023年Q3季度财报

据KBS报道，三星电子今年第三季度半导体部门亏损达3.75万亿韩元，加上前两个季度累计8.94万亿韩元的亏损。还不到一年时间，三星就在半导体项目中亏损了12.69万亿韩元（约合人民币688亿元）。

在2017年成为世界第一半导体公司的三星，巅峰时占据全球45%以上内存市场，仅仅五年后，这个半导体王国就开始分崩瓦解。风云突变的半导体市场

三星半导体业务主要收益来源，就是存储芯片，也就是存储业务。

很多人不知道，三星在做手机之前，它的核心业务就是生产存储芯片。早在30年前，三星研发出全球首款64Mb DRAM（内存条），这一产品使得三星电子在1992年就成为了全球最大的DRAM厂商，并在次年成为了最大的存储芯片制造商。

在1999年，三星开发出首款1GB NAND闪存，再到2002年，三星成为了全世界首个量产1GB NAND闪存的公司，自此三星超越东芝，正式坐上闪存市场头把交椅。

DRAM和NAND业务，就成了三星半导体的核心支柱。哪怕三星手机逐渐在中国市场消声灭迹后，三星依然能凭借存储业务的收益稳坐全球头部互联网公司。

但随着疫情时代来临，全球市场的芯片买家纷纷暂缓下单，加快消耗已有库存，本季度芯片价格下降了约13%至18%。

由于在供需两端的调整下，不但存储芯片不但价格暴跌，甚至一度卖不出去，造成极为严重库存积压。 据数据显示，截至2023年6月底，三星半导体库存已超过1800亿人民币。

为了减少库存，三星被迫开始削减供应，试图让存储市场恢复到平衡状态。在今年7月，三星公开宣布将DRAM存储器月产量削减至62万片晶圆，同比减少12%，创下公司2021年第三季度以来产量的新低。

除了旧芯片卖不出以外，存储芯片市场也在发生天翻地覆的改变。

因为AI时代的来临，生成式大模型爆火，为了配合算力要求极高的AI服务器，DRAM和NAND存储芯片都陆续被淘汰，而新的存储芯片HBM（High Bandwidth Memory，高带宽存储器）成了主流。

据公开资料显示，HBM芯片是将多个DDR芯片堆叠后和GPU封装在一起，实现大容量、高位宽的DDR组合阵列，能让更大的模型、更多的参数留在离核心计算更近的地方，从而减少内存和存储解决方案带来的延迟。

HBM芯片目前已经成为AI大模型的标配，而三星的老对头SK海力士公司拥有超过50%的市场份额。并和英伟达合作，共同开发H100和H200芯片等AI芯片，独家占有了90%高端市场份额。

一步落后，步步落后的三星，明明作为存储芯片第一大公司，却根本吃不上AI时代的红利，甚至空留一堆卖不出去的老式存储芯片。

勉强挽回颜面的手机业务

除了不断亏损的半导体业务之外，本次三星财报依然有一些亮点，特别是三星净利润达5.5万亿韩元，远超此前预期的2.52万亿韩元，同比降幅从第二季度的86%下降至40%，盈利情况有所改善。

而为三星净利润立下汗马功劳的，是三星最被外界熟知的手机业务。

据三星电子公开消息称，此次业绩表现超出预期的主要原因是智能手机新品和高端显示产品的销售量增加。

根据IDC公布的数据，2022年全年全球智能手机出货量12.1亿台，这是2013年以来的最低点。其中，三星以2.609亿台出货量和21.6%的市场份额继续稳坐市占率的第一名。

在全部品牌陷入衰退期的手机寒潮中，三星堪称“矮子里面拔高个”。

可惜的是，三星从2021年12月12日开始，正式把IT移动通信与消费电子业务合并的部门命名为DX（设备体验）部门，不再单独公布手机业务的具体销量。

三星Galaxy手机

为了填补上半导体业务的亏损，三星在手机业务也煞费苦心，甚至公开为Galaxy S24设定了3500万部的出货目标，计划2024年智能手机总出货量将达到2.53亿部。

为了实现这一目标，三星将重心放在了不断火热的AI大模型之上，不断造势“AI大模型手机”概念，甚至在西方市场放出豪言：三星Galaxy S24将会成为第一部“AI大模型手机”。

奈何Galaxy S24还没见踪影，华为Mate 60系列就已经搭载上自研盘古大模型，成为三星口中的第一部“AI大模型手机”。

眼看AI大模型手机走不通，三星又计划开始重新研发Exynos（猎户座）SoC，与AMD、Google的联手，打造出能够媲美甚至超越苹果A系列的自研芯片。

今年10月6日，三星举办发布会，正式亮相三星下一代手机旗舰SoC Exynos 2400。据了解，Exynos 2400在CPU上则采取了1+2+3+4的四丛集架构设计，并和AMD联手，为Exynos 2400配备了基于最新AMD RDNA 3架构打造的Xclipse 940 GPU。

据消息报道，三星Galaxy S24系列将在2024年1月的第三周或第四周推出。

虽然已经当不了第一款AI大模型手机，但三星还是将AI视为Galaxy S24的重要功能。

三星宣布了将为Galaxy S24设计的新AI工具，该工具可以通过Exynos 2400本地实现从文本到图像的生成式AI功能。还包括照片、消息和语音识别等智能体验。

虽然计划很美好，但三星猎户座处理器名声可不好。耗电量大、发热大的负面消息频频被曝光，一度停产多次。

面对苹果A17 Pro和高通骁龙8 Gen3的双重围攻下，Exynos 2400前景恐不乐观。

三星也开始大模型

除了AI大模型手机之外，三星也跟上众多手机品牌的脚步，开始了自研生成式AI。

在今天三星人工智能论坛2023上，三星官方正式公布了其自研的生成式AI产品Gauss（高斯）。

据IT之家报道，该大模型由Samsung Gauss Language、Samsung Gauss Code和 Samsung Gauss Image组成，以建立机器学习和人工智能支柱正态分布理论的传奇数学家约翰・卡尔・弗里德里希・高斯的名字命名。

据介绍，Gauss三个组成程序各有各的用途，其中，Samsung Gauss Language是一种生成式语言模型，可以利用AI来撰写电子邮件、总结文档和翻译内容；Samsung Gauss Code提供AI代码功能，可以写代码和测试用例生成；Samsung Gauss Image是一种生成图像模型，可以生成和编辑创意图像。

总体而言，三星高斯本质上还是提高生产力的“典型AI大模型”，分别涉及了当下最流行的文字处理、写代码、生出图像三大功能。 三星表示，高斯将在不久的未来扩展到各种三星官方App。

作为曾经的存储领域的龙头老大，三星在AI时代受挫不小，品牌支柱的DRAM和NAND存储芯片大量积压库存，与AI息息相关相关的HBM（高带宽内存）等高附加值产品被老对手超越，转型艰难。

两条腿走路的三星，断了一条腿后，只能押宝手机业务。 虽然在中国手机市场折戟，但在欧洲、南美市场一贯强势的三星，仍然有翻盘机会。

本文源自锌财经

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