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。

从闪存卡到SSD硬盘，存储芯片是如何发展起来的？

上篇文章（链接），小枣君给大家详细介绍了DRAM的沧桑往事。

DRAM属于易失性存储器，也就是大家常说的内存。今天，我们再来看看半导体存储的另一个重要领域，也就是非易失性存储器 （也就是大家熟悉的闪存卡、U盘、SSD硬盘等）。

我在“半导体存储的最强科普（链接）”那篇文章中，给大家介绍过，早期时候，存储器分为ROM（只读存储器） 和RAM（随机存取存储器） 。后来，才逐渐改为易失性存储器 和非易失性存储器 这样更严谨的称呼方式。

█ 1950s-1970s：从ROM到EEPROM

我们从最早的ROM开始说起。

ROM的准确诞生时间，在现有的资料里都没有详细记载。我们只是大概知道，上世纪50年代，集成电路发明之后，就有了掩模ROM 。

掩模ROM，是真正的传统ROM，全称叫做掩模型只读存储器（MASK ROM）。

这种传统ROM是直接把信息“刻”进存储器里面，完全写死，只读，不可擦除，更不可修改。它的灵活性很差，万一有内容写错了，也没办法纠正，只能废弃。

后来，到了1956年，美国Bosch Arma公司的华裔科学家周文俊（Wen Tsing Chow） ，正式发明了PROM（Programmable ROM，可编程ROM） 。

周文俊

当时，Bosch Arma公司带有军方背景，主要研究导弹、卫星和航天器制导系统。

周文俊发明的PROM，用于美国空军洲际弹道导弹的机载数字计算机。它可以通过施加高压脉冲，改变存储器的物理构造，从而实现内容的一次修改（编程）。

后来，PROM逐渐出现在了民用领域。

一些新型的PROM，可以通过专用的设备，以电流或光照（紫外线）的方式，熔断熔丝，达到改写数据的效果。

这些PROM，被大量应用于游戏机以及工业控制领域，存储程序编码。

1959年，贝尔实验室的工程师Mohamed M. Atalla（默罕默德·阿塔拉，埃及裔） 与Dawon Kahng（姜大元，韩裔） 共同发明了金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET） 。

默罕默德·阿塔拉与姜大元

MOSFET发明后，被贝尔实验室忽视。又过了很多年，1967年，姜大元与Simon Min Sze（施敏，华裔） 提出，基于MOS半导体器件的浮栅，可用于可重编程ROM的存储单元。

姜大元（左上）、施敏（右上），还有他们设计的浮栅架构

这是一个极为重要的发现。后来的事实证明，MOSFET是半导体存储器存储单元的重要基础元件，可以说是奠基性技术。

当时，越来越多的企业（摩托罗拉、英特尔、德州仪器、AMD等）加入到半导体存储的研究中，尝试发明可以重复读写的半导体存储，提升PROM的灵活性。

正是基于MOSFET的创想，1971年，英特尔公司的多夫·弗罗曼 （Dov Frohman，以色列裔），率先发明了EPROM （user-erasable PROM，可擦除可编程只读存储器）。

多夫·弗罗曼

EPROM可以通过暴露在强紫外线下，反复重置到其未编程状态。

同样是1971年，英特尔推出了自己的2048位EPROM产品——C1702 ，采用p-MOS技术。

C1702

不久后，1972年，日本电工实验室的Yasuo Tarui、Yutaka Hayashi和Kiyoko Naga，共同发明了EEPROM（电可擦除可编程ROM） 。

█ 1980~1988：FLASH闪存的诞生

从ROM发展到EEPROM之后，非易失性存储技术并没有停止前进的脚步。

当时，EEPROM虽然已经出现，但仍然存在一些问题。最主要的问题，就是擦除速度太慢。

1980年，改变整个行业的人终于出现了，他的名字叫舛冈富士雄 （Fujio Masuoka，“舛”念chuǎn）。

舛冈富士雄

舛冈富士雄是日本东芝（Toshiba）公司的一名工程师。他发明了一种全新的、能够快速进行擦除操作的浮栅存储器，也就是——“simultaneously erasable（同步可擦除） EEPROM”。

这个新型EEPROM擦除数据的速度极快，舛冈富士雄的同事根据其特点，联想到照相机的闪光灯，于是将其取名为FLASH（闪存） 。

遗憾的是，舛冈富士雄发明Flash闪存后，并没有得到东芝公司的充分重视。东芝公司给舛冈富士雄发了一笔几百美金的奖金，然后就将这个发明束之高阁。

原因很简单。这一时期，日本DRAM正强势碾压美国，所以，东芝公司想要继续巩固DRAM的红利，不打算深入推进Flash产业。

1984年，舛冈富士雄在IEEE国际电子元件会议上，正式公开发表了自己的发明（NOR Flash）。

在会场上，有一家公司对他的发明产生了浓厚的兴趣。这家公司，就是英特尔 。

英特尔非常看重FLASH技术的前景。会议结束后，他们拼命打电话给东芝，索要FLASH的样品。收到样品后，他们又立刻派出300多个工程师，全力研发自己的版本。

1986年，他们专门成立了研究FLASH的部门。

1988年，英特尔基于舛冈富士雄的发明，生产了第一款商用型256KB NOR Flash闪存产品，用于计算机存储。

1987年，舛冈富士雄继NOR Flash之后，又发明了NAND Flash 。1989年，东芝终于发布了世界上第一个NAND Flash产品。

NOR是“或非（NOT OR）”的意思，NAND是“与非（NOT AND）”的意思。这样的命名和它们自身的基础架构有关系。

如下图所示，NOR Flash是把存储单元并行连到位线上。而NAND Flash，是把存储单元串行连在位线上。

架构对比

NOR Flash存储器，可以实现按位随机访问。而NAND Flash，只能同时对多个存储单元同时访问。

对于NOR Flash，如果任意一个存储单元被相应的字线选中打开，那么对应的位线将变为 0，这种关系和“NOR门电路”相似。

而NAND Flash，需要使一个位线上的所有存储单元都为 1，才能使得位线为 0，和 “NAND门电路”相似。

看不懂？没关系，反正记住：NAND Flash比NOR Flash成本更低。（具体区别，可以参考：关于半导体存储的最强入门科普。）

█ 1988~2000：群雄并起，逐鹿Flash

FLASH（闪存）产品出现后，因为容量、性能、体积、可靠性、能耗上的优势，获得了用户的认可。英特尔也凭借其先发的闪存产品，取得了产业领先优势，赚了不少钱。

搞笑的是，在英特尔公司取得成功后，东芝不仅没有反省自己的失误，反而声称FLASH是英特尔公司的发明，不是自家员工舛冈富士雄的发明。

直到1997年，IEEE给舛冈富士雄颁发了特殊贡献奖，东芝才正式改口。

这把舛冈富士雄给气得不行，后来（2006年），舛冈富士雄起诉了公司，并索要10亿日元的补偿。最后，他和东芝达成了和解，获赔8700万日元（合75.8万美元）。

1988年，艾利·哈拉里（Eli Harari）等人，正式创办了SanDisk公司 （闪迪，当时叫做SunDisk）。

1989年，SunDisk公司提交了系统闪存架构专利（“System Flash”），结合嵌入式控制器、固件和闪存来模拟磁盘存储。这一年，英特尔开始发售512K和1MB NOR Flash。

1989年，闪存行业还有一件非常重要的事情，在以色列，有一家名叫M-Systems 的公司诞生。他们首次提出了闪存盘的概念，也就是后来的闪存SSD硬盘。

进入1990年代，随着数码相机、笔记本电脑等市场需求的爆发，FLASH技术开始大放异彩。

1991年，SunDisk公司推出了世界上首个基于FLASH闪存介质的ATA SSD固态硬盘（solid state disk），容量为20MB，尺寸为2.5英寸。

东芝也开始发力，陆续推出了全球首个4MB和16MB的NAND Flash。

1992年，英特尔占据了FLASH市场份额的75%。排在第二位的是AMD，只占了10%。除了他俩和闪迪之外，行业还陆续挤进了SGS-Thomson、富士通等公司，竞争开始逐渐变得日趋激烈。

这一年，AMD和富士通先后推出了自己的NOR Flash产品。闪存芯片行业年收入达到2.95亿美元。

1993年，美国苹果公司正式推出了Newton PDA产品。它采用的，就是NOR Flash闪存。

1994年，闪迪公司第一个推出CF存储卡 （Compact Flash）。当时，这种存储卡基于Nor Flash闪存技术，用于数码相机等产品。

1995年，M-Systems发布了基于NOR Flash的闪存驱动器——DiskOnChip。

1996年，东芝推出了SmartMedia卡，也称为固态软盘卡 。很快，三星开始发售NAND闪存，闪迪推出了采用MLC串行NOR技术的第一张闪存卡。

1997年，手机开始配置闪存。 从此，闪存继数码相机之后，又打开了一个巨大的消费级市场。

这一年，西门子和闪迪合作，使用东芝的NAND Flash技术，开发了著名的MMC 卡（Multi Media Memory，多媒体内存）。

1999年8月，因为MMC可以轻松盗版音乐，东芝公司对其进行了改装，添加了加密硬件，并将其命名为SD（Secured Digital） 卡。

后来，又有了MiniSD、MicroSD、MS Micro2和Micro SDHC等，相信70后和80后的小伙伴一定非常熟悉。

整个90年代末，受益于手机、数码相机、便携式摄像机、MP3播放器等消费数码产品的爆发，FLASH的市场规模迅猛提升。当时，市场一片繁荣，参与的企业也数量众多。其中，最具竞争力的，是三星、东芝、闪迪和英特尔。

2000年，M-Systems和Trek公司发布了世界上第一个商用USB闪存驱动器，也就是我们非常熟悉的U盘 。

它还有一个名字，叫拇指驱动器

当时，U盘的专利权比较复杂，多家公司声称拥有其专利。中国的朗科，也在1999年获得了U盘的基础性专利。

█ 2000~2012：NAND崛起，NOR失势

90年代末，NAND Flash就已经开始崛起。进入21世纪，崛起的势头更加迅猛。

2001年，东芝与闪迪宣布推出1GB MLC NAND。闪迪自己也推出了首款NAND系统闪存产品。

2004年，NAND的价格首次基于同等密度降至DRAM之下。巨大的成本效应，开始将计算机推进闪存时代。

2007年，手机进入智能机时代，再次对闪存市场技术格局造成影响。

此前的功能机时代，手机对内存的要求不高。NOR Flash属于代码型闪存芯片，凭借NOR+PSRAM的XiP架构（XiP，Execute In Place，芯片内执行，即应用程序不必再把代码读到系统RAM中，而是可以直接在Flash闪存内运行），得到广泛应用。

进入智能机时代，有了应用商店和海量的APP，NOR Flash容量小、成本高的缺点就无法满足用户需求了。

于是，NOR Flash的市场份额开始被NAND Flash大量取代，市场不断萎缩。

2008年左右，从MMC开始发展起来的eMMC ，成为智能手机存储的主流技术。

eMMC即嵌入式多媒体卡（embedded Multi Media Card），它把MMC（多媒体卡）接口、NAND及主控制器都封装在一个小型的BGA芯片中，主要是为了解决NAND品牌差异兼容性等问题，方便厂商快速简化地推出新产品。

后来，2011年，UFS （Universal Flash Storage，通用闪存存储）1.0标准诞生。UFS逐渐取代了eMMC，成为智能手机的主流存储方案。当然了，UFS也是基于NAND FLASH的。

SSD硬盘那边就更不用说了，基本上都是采用NAND芯片。

2015年左右，三星、镁光、Cypress等公司，都逐步退出了NOR Flash市场，专注在NAND Flash领域进行搏杀。

█ 2012~现在：闪存行业的现状

市场垄断格局的形成

2011年之后，整个闪存行业动荡不安，收购事件此起彼伏。

那一时期，LSI收购Sandforce、闪迪收购IMFT、 苹果收购Anobit、Fusion-io收购IO Turbine。2016年，发生了一个更重磅的收购——西部数据收购了闪迪 。

通过整合并购，NAND Flash市场的玩家越来越少。

最终，形成了由三星、铠侠（东芝）、西部数据、镁光、SK 海力士、Intel等巨头为主导的集中型市场。直到现在，也是如此。

在NAND闪存市场里，这些巨头的份额加起来，超过95%。其中，三星的市场份额是最高的，到达了33-35%。

3D NAND时代的到来

正如之前DRAM那篇文章所说，到了2012年左右，随着2D工艺制程逐渐进入瓶颈，半导体开始进入了3D时代。NAND Flash这边，也是如此。

2012 年，三星正式推出了第一代 3D NAND闪存芯片。随后，闪迪、东芝、Intel、西部数据纷纷发布3D NAND产品。闪存行业正式进入3D时代。

此后，3D NAND技术不断发展，堆叠层数不断提升，容量也变得越来越大。

3D NAND存在多种路线。以三星为例，在早期的时候，三星也研究过多种3D NAND方案。最终，他们选择量产的是VG垂直栅极结构的V-NAND闪存。

目前，根据媒体的消息，三星已经完成了第八代V-NAND技术产品的开发，将采用236 层3D NAND闪存芯片，单颗Die容量达1Tb，运行速度为2.4Gb/秒。

三星的市场份额最大，但他们的层数并不是最多的。

今年5月份，镁光已经宣布推出232 层的3D TLC NAND闪存，并准备在2022年末开始生产。韩国的SK海力士，更是发布了238 层的产品。

NOR迎来第二春

再来说说NOR Flash。

前面我们说到，NOR Flash从2005年开始逐渐被市场抛弃。

到2016年，NOR Flash市场规模算是跌入了谷底。

谁也没想到，否极泰来，这些年，NOR Flash又迎来了新的生机。

以TWS耳机为代表的可穿戴设备、手机屏幕显示的AMOLED（有源矩阵有机发光二极体面板）和TDDI（触屏）技术，以及功能越来越强大的车载电子领域，对NOR Flash产生了极大的需求，也带动了NOR Flash市场的强劲复苏。

从2016 年开始，NOR Flash市场规模逐步扩大。

受此利好影响，加上很多大厂此前已经放弃或缩减了NOR Flash规模（镁光和Cypress持续减产），所以，一些第二梯队的企业获得了机会。

其中，就包括中国台湾的旺宏、华邦，还有中国大陆的兆易创新。这三家公司的市场份额，约占26%、25%、19%，加起来的话，超过70%。

█ FLASH闪存的国产化

在国产化方面，NAND Flash值得一提的是长江存储 。

长江存储于2016年7月26日在武汉新芯集成电路制造有限公司的基础上正式成立，主要股东包括中国集成电路产业投资基金和紫光集团、湖北政府等，致力于提供3D NAND闪存设计、制造和存储器解决方案的一体化服务。

2020 年，长江存储宣布128层TLC/QLC两款产品研发成功， 且推出了致钛系列两款消费级SSD新品。

建议大家支持国产

2021年底，长江存储就已经达到了每月生产10万片晶圆的产能。截止2022年上半年，已完成架构为128层的NAND量产。

目前，长江存储正在努力挑战232层NAND，争取尽快缩小制程差距，追赶国际大厂。

NOR Flash方面，刚才已经提到了兆易创新（GigaDevice） 。

兆易创新成立于2005年，是一家以中国为总部的全球化芯片设计公司。2012年时，他们就是中国大陆地区最大的代码型闪存芯片本土设计企业。

目前，他们在NOR Flash领域排名世界第三。2021年，兆易创新的存储芯片出货量大约是32.88亿颗（主要是NOR Flash），位居全球第二。

█ 结语

近年来，如大家所见，随着FLASH芯片价格的不断下降，个人家庭及企业用户开始大规模采用闪存，以及SSD硬盘。SSD硬盘的出货量，逐渐超过HDD机械硬盘。存储介质的更新换代，又进入新的高峰。

未来，闪存的市场占比将会进一步扩大。在这样的趋势下，不仅我们个人和家庭用户的存储使用体验将会变得更好，整个社会对存力的需求也可以得到进一步的满足。

半导体存储，将为全人类的数字化转型发挥更大的作用。

好啦，今天的文章就到这里，感谢大家的耐心观看！

参考资料：

1、《半导体行业存储芯片研究框架-NOR深度报告》，方正证券；

2、《杂谈闪存二：NOR和NAND Flash》，老狼，知乎；

3、《存储技术发展历程》，谢长生；

4、《闪存技术的50多年发展史》，存储在线；

5、《存储大厂又一次豪赌》，半导体行业观察；

6、《存储芯片行业研究报告》，国信证券；

7、《国产存储等待一场革命》，付斌，果壳；

8、《关于半导体存储，没有比这篇更全的了》，芯师爷；

9、《计算机存储历史》，中国存储网；10、《3D NAND闪存层数堆叠竞赛，200+层谁才是最优方案？》，闪存市场；

11、《一文看懂3D NAND Flash》，半导体行业观察；

12、百度百科、维基百科相关词条。

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