数据存储技术的进化与跃迁

01

机械存储时代

图3 穿孔纸带顺序控制原理

02

磁存储时代

03

硬盘时代

04

闪存时代

 

1959年，可谓是半导体存储里程碑式发明的一年，贝尔实验室的工程师Mohamed M.Atalla与姜大元共同发明了金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，MOSFET的发明奠定了半导体存储器重要基础元件的地位。基于MOS半导体器件，1967年，姜大元与华裔施敏又提出相应的浮栅，可用于可重编程ROM的存储单元。

图14 默罕默德·阿塔拉与姜大元

姜大元（左上）、施敏（右上），浮栅架构

许多企业相继投入到半导体存储的研究，尝试发明可重复读写的存储器以提升PROM的灵活性；基于MOSFET发明，1971年，英特尔Dov Frohman率先发明了可擦除可编程的只读存储器EPROM（Erasable Programmable ROM），EPROM可通过强紫外线反复重置至未编程状态；同年，英特尔又发布了2048位EPROM产品C1702，其采用p-MOS技术。1972年，日本电工实验室的Yasuo Tarui、Yutaka Hayashi和Kiyoko Naga，共同发明了可电擦除可编程的只读存储器 EEPROM（Elecrically Erasable Programmable ROM）。

EEPROM仍存在擦除速度太慢的问题，此时出现了一个划时代的人物，东芝公司的工程师舛冈富士雄；1980年，他发明了一种全新可快速擦除的浮栅存储器Flash（闪存，simultaneously erasable（同步可擦除）EEPROM），但该发明并未得到东芝的重视。1984年，在IEEE国际电子元件会议上，舛冈富士雄正式公开发表了自己的发明NOR Flash，1987年，舛冈富士雄又发明了NAND Flash。

英特尔对舛冈富士雄发明的NOR Flash非常感兴趣，1988年，英特尔基于NOR Flash，生产了第一款商用型NOR Flash闪存芯片，它如同鞋盒一样大小，并被内嵌于一个录音机里，容量为256KB；这款芯片的发布彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面，并使Intel成为世界上第一个生产闪存并将其投放市场的公司。1989年，东芝发布了世界上第一个NAND Flash闪存产品，该产品容量大，耐擦除且不易损坏。

图15 NOR Flash  舛冈富士雄

HDD读写速度仅为几十兆每秒，防震抗摔性弱，市场亟需读取速度快，可靠性高的大容量闪存产品，由Eli Harari等人1988年创办的SunDisk公司（现SanDisk，闪迪）逐渐开始打破这个局面。1989年，闪迪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；同年，英特尔开始发售512KB和1MB NOR Flash。1989年，一家以色列公司M-Systems成立了，该公司首次提出了闪存盘的概念，也就是大家熟知的固态硬盘（Solid State Drive，SSD）。

随着笔记本、数码相机等电子产品的需求扩大，这个阶段的闪存产品可谓为雨后春笋般涌现。1991年，闪迪公司推出了世界上首个基于Flash闪存介质的ATA SSD固态硬盘，容量为20MB，尺寸为2.5英寸。1993年，美国苹果公司正式推出了Newton PDA产品，该产品采用了NOR Flash技术。1994年，闪迪公司又第一个推出了CF存储卡（Compact Flash）；当时，这种存储卡基于NOR Flash技术，用于数码相机等产品。

图16 ATA SSD Newton  PDA

手机、便携式摄像机、MP3播放器等消费数码产品需求的爆发，使得整个90年代末闪存市场规模呈现井喷式发展的态势。1995年，M-Systems发布了基于NOR Flash的闪存驱动器——DiskOnChip。1996年，东芝（现铠侠）推出了SmartMedia卡，也称为固态软盘卡。三星随后开始发售NAND Flash，闪迪推出了采用MLC串行NOR Flash技术的第一张闪存卡。1997年，手机开始配置闪存，以及数码相机的出现，促使消费级市场再升级；同年，基于NAND Flash技术，西门子与闪迪合作开发了著名的MMC（多媒体内存，Multi Media Memory）卡。

图17 MMC卡

1999年，东芝公司发现MMC卡可轻松盗版音乐的问题，因此对其进行了改装，通过添加加密硬件的方式对其传输速度和安全性进行了升级，改装后命名为SD卡，容量可为2MB、4MB和8MB；在手机用于通讯以及MP4流行的年代，SD（Secured Digital）卡成为移动数据存储的主力军。手机、笔记本电脑等消费产品的出现，延伸了人们对数据存储便携性的需求，2000年，U盘首次面市，M-Systems和Trek发布了世界上第一个商用USB闪存驱动器，也叫拇指驱动器。

图18 世界上第一个商用USB闪存驱动器

NAND Flash共经历了三代变革。20世纪80年代初至90年代中期，第一代NAND Flash采用 SLC（Static Random Access Memory）技术，存储密度低，存储容量有限，功耗高，可靠性差。90年代中期至2000年左右，第二代NAND Flash采用 NAND技术，存储密度大幅提高，存储容量也得到了极大的扩展，同时采用了 MLC（Multi-level Cell）技术和 PCD（Programmable Configuration Device）技术，提高了 NAND Flash的可靠性和灵活性。

工艺制程进入16nm后，2D NAND的成本急剧上升，平面微缩工艺的难度和成本难以承受，3D NAND技术的出现解决了该问题。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。

2000年至今的NAND Flash采用NAND技术和3D NAND技术，存储密度进一步提高，存储容量也得到了大幅扩展，并且采用了更先进的 NAND技术，如 NAND Flash垂直堆叠技术、NAND闪存内存接口技术等，使得 NAND闪存存储器件的性能更加优越，在降低能耗的同时，也节约了成本，每字节成本均低于2D NAND。

进入3D NAND时代后，闪存技术的发展可以称的上为“芝麻开花节节高”。2022年5月，美光科技已经宣布推出了232层的3D TLC NAND Flash。SK海力士于2022年8月也发布了238层3D NAND Flash芯片产品；2022年11月，三星已经完成了第八代NAND技术产品的开发，将采用236层3D NAND闪存芯片，容量达1Tb，运行速度为2.4GB/s。2023年8月，SK海力士又发布了321层堆叠4D NAND Flash闪存样品。

05

新发明、新时代

新型存储技术是在传统的存储技术基础上不断发展而来的；在传统存储技术面临一些挑战时，如存储设备体积不断增大、容量增长而性能提升缓慢等，人们开始探索新的存储方法。目前，新型存储技术主要有4种：相变存储器（PCM）、铁电存储器（FeRAM/FRAM）、磁性存储器（MRAM，第二代为STT-RAM）、和阻变存储器（ReRAM/RRAM）。

5.1 / PCM

相变存储器（phase-change random access memo，PCM或PCRAM）是一种新兴的非易失性存储器技术，其原理是通过改变温度，让相变材料在结晶态（导电）与非结晶态（非导电）状态间相互转换，并利用两个状态的导电性差异来区分“ 0”态和“ 1”态，从而实现数据存储。

图19 PCM工作原理（图源：永鑫方舟资本）

PCM具有外存NAND Flash的非易失性，以及主存DRAM高读写速度和长寿命的特点，同时兼具低延时、密度高、功耗低、可兼容CMOS工艺等优点，具有将外存和主存合二为一的可能性，未来有希望应用于高性能数据中心、服务器、物联网等场景。此外，目前PCM还未发现有明确的物理极限，研究表明即使相变材料降至2nm厚度，存储器件依旧可以发生相变。因此，PCM可能解决存储器工艺的物理极限问题，成为未来通用的新一代半导体存储器件之一。

PCM的发展历程可以追溯到20世纪60年代，当时Stanford Ovshinsky开始研究无定形物质的性质，1968年，他发现某些玻璃在变相时会存在可逆的电阻系数变化。这个发现启发了他在1970年与他的妻子Iris Ovshinsky共同建立了一个能量转换装置（ECD）公司，该公司专注于研究和发展PCM技术。

在ECD公司与Intel的Gordon Moore合作后，他们在1970年9月28日的Electronics杂志上发表了一篇名为“世界第一个256位半导体相变存储器”的文章；这个里程碑式的发现标志着PCM技术的诞生。但由于过去半导体工艺的限制，相变单元所需驱动电流过大，导致早期的PCM未赢得过多青睐。而后，得益于半导体加工工艺的进步，使具有较小的驱动电流器件成为可能，迎来了PCM的发展契机。

进入21世纪，随着半导体工业界的制备技术和工艺达到深亚微米甚至纳米尺度，PCM技术开始进入快速发展阶段。在2000年，Intel和Ovonyx发表了一份合作与许可协议，这是现代PCM研究与发展的开端。从那时起，多家公司开始致力于PCM技术的研发和商业化，例如Intel、美光科技等。

PCM作为新型存储产业化的先行者，国内外厂商争相布局。2006年，Intel和三星生产了第一款商用PCM芯片。2015年，Intel和美光科技合作开发名为3D XPoint的PCM存储技术。2019年8月，时代全芯发布国内首款PCM产品——2兆位可编程只读PCM，成为继美光科技、三星后少数掌握PCM研发、生产工艺和自主知识产权的公司。

然而，2018年Intel和美光科技结束了3D XPoint的联合开发工作，此后美光科技于2021年宣布停止基于3D XPoint技术产品的进一步开发。至此，PCM的产业化陷入困境。

PCM现阶段具有较多应用瓶颈，致使商业化停滞。首先，由于PCM存储过程依赖温度调节，具有对温度的高敏感度，导致其无法应用于宽温场景。其次，PCM存储器采取多层结构，以具备兼容CMOS工艺的特点，致使存储密度过低，无法满足替代 NAND Flash的容量条件。此外，成本和良率也成为其大规模产业化的瓶颈之一。

1952年，铁电随机存取存储器（Ferroelectric Random Access Memory，FeRAM）首次在麻省理工大学Dudley Allen Buck的硕士论文中被提及，论文中提到FeRAM有比闪存更低的耗电量、更高的写入速度、更长的读写寿命等优势。由于存算一体的特性和诸多优势，FeRAM成为新型存储的主流产品之一。1993年，Ramtron公司推出了4KB FeRAM产品，为全球首款可量产的FeRAM产品，此后，FeRAM的更多研发和应用开启新篇章。

图20 FeRAM工作原理（图源：永鑫方舟资本）

FeRAM小部分产品实现量产，潜力可见度提高。根据新思界产业研究中心发布的《2022-2027年中国FRAM行业市场深度调研及发展前景预测报告》，FRAM存储密度较低，容量有限，无法完全取代DRAM与NAND Flash，但在对容量要求不高、读写速度要求高、读写频率高、使用寿命要求长的场景中拥有发展潜力。在消费电子领域，可用于智能手表、智能卡以及物联网设备制造；在汽车领域，可用于高级驾驶辅助系统（ADAS）制造；在工业机器人领域，可用于控制系统制造等。

国内外多家厂商正在积极研发FeRAM存储器，台积电正在探索铁电薄膜和堆叠及其可控性、状态保持性、持久性和可扩展性，以实现与先进CMOS技术集成的高密度、高容量数字存储器；国内拍字节、汇峰等企业也正在积极研究并助推以HfO2为镀膜的FeRAM的产业化落地，拍字节目前还在实验室研发阶段有望量产，汇峰目前已经有130nm制程FeRAM产品可实现小批量量产。并且，已有部分FeRAM存储器成功应用在汽车领域，代表公司Ramtron和Symetrix、英飞凌、日本富士通半导体。

FeRAM技术瓶颈尚在，仍需继续研究突破。当前，FeRAM的工作模式主要包括DRO（破坏性读出）和NDRO（非破坏性读出）两种。在DRO模式中，FeRAM读出后需重新写入数据，信息读取过程中存在着大量的擦除/重写操作，由于不断地极化反转，FeRAM容易发生疲劳失效的问题。NDRO模式无需使栅极的极化状态反转，读出方式是非破坏性的，是一种比较理想的存储方式，但目前这种FeRAM尚处于实验室研究阶段，还未达到实用层面。

磁性随机访问存储器（Magnetic Random Access Memory，MRAM）是一种非易失性随机存储器，它拥有SRAM的高速读取写入能力，以及DRAM的高集成度，而且基本上可以无限次的重复写入。MRAM靠磁场极化而非电荷来存储数据，其存储单元由自由磁层、隧道栅层、固定磁层组成。

MRAM于1984年发明，后经不断改进。1984年，供职于霍尼韦尔的Arthur Pohm与James Daughton发明了首个磁存储器；由于对环境条件敏感等问题，对MRAM的改进从未停止。1996年，Berger和Slonczewski不约而同的提出了STT-MRAM（自旋扭矩转递）方案；2000年，Spintec实验室获得首个STT-MRAM专利。

STT-MRAM为当前主流商业化方案。自2000年Spintec实验室获得首个STT技术专利开始，STT-MRAM凭借更快的读写速度与更小的尺度逐渐成为主流商业化方案。2005年11月，瑞萨科技与Grandis合作开发65nm工艺的STT-MRAM；2005年12月，索尼推出首款实验室STT-MRAM产品。2008年11月，三星与SK海力士宣布合作开发STT-MRAM；2012年11月，Everspin首次推出容量为64MB的独立式STT-MRAM产品；2019年3月，三星28nm工艺的嵌入式STT-MRAM产品开始量产。

2019年1月，Everspin公司推出基于28nm工艺容量为1GB的STT-MRAM产品，为目前最成熟、容量最大的独立式MRAM量产产品。嵌入式MRAM（eMRAM）主要替代SRAM应用于嵌入式系统中，可避免因电源故障等导致的内存丢失问题。嵌入式MRAM目前受到各大厂商关注，2020年12月，IBM展出世界首个14nm STT-MRAM产品。2022年6月，瑞萨宣布已开发出 22nm嵌入式 STT-MRAM 电路技术。2022年10月，三星研究人员称成功开发14nm eMRAM。MRAM增长点为替代闪存与嵌入式缓存。

由于价格较高，容量短时间无法赶超NAND Flash等原因，独立式MRAM目前主要应用于工业、航空、航天、军工等对可靠性和读写速度要求较高、容量无需太大的领域。随着容量进一步提升，独立式MRAM产品已逐渐进入数据中心等更大规模的市场，未来随着价格下降和容量扩大有望替代NAND Flash等成为主力外部存储产品。目前嵌入式MRAM已成功进入MCU嵌入式系统，并逐步替代慢速SRAM成为工作缓存新方案，应用于相机CMOS等。未来嵌入式MRAM提速降价后有望替代SRAM或eDRAM等高速缓存，进入手机SoC和CPU等产品。

5.4 / ReRAM

可变电阻式存储器（Resistive Random Access Memory，RRAM或ReRAM）是一种新型的非易失性存储器，这个概念在1971年左右初步形成，2008年，惠普提出了一种被称为忆阻器的ReRAM，并将其用于面向未来的系统“The Machine”中，在惠普放弃忆阻器的研究后，一些研究机构和企业仍在继续探索ReRAM技术。

目前ReRAM仍处于研究和开发阶段，ReRAM以基本单位电阻变化存储数据，氧化层释放氧离子后产生的氧空位与金属层中氧离子的运动共同决定了基本单位的电阻，高低电阻分别对应“0”和“1”。ReRAM结构简单，两侧电极将金属氧化物包夹于中间，从而简化了制造工艺，同时可实现低功耗和高速重写等卓越性能；其具备小于100ns的高速度、耐久性强和多位存储能力的特点。

由于ReRAM存储介质中的导电通道具有随机性，在二进制存储中难以保证大规模阵列的均一性，故而能很好满足神经形态计算和边缘计算等应用对能耗、性能、存储密度的要求，预期将在AIoT、智能汽车、数据中心、AI计算等领域获得广泛应用，被认为是实现存算一体的最佳选择之一。在新兴的存储技术中，ReRAM技术更适合在存储单元中采用多级存储，有利于降低存储器计算的能耗、提高成本效益。

数据存储技术的发展，就像一本厚重的史书，每一页都记载有精心雕琢的故事，描绘着那些年我们如何从最初的石墨纸，演变为如今的云存储。而今，数据存储已经从最初的打孔卡、硬盘，闪存发展至如今的云存储；这个过程就像一部史诗般的电影，展现了人类对于技术的无尽追求和创新的宝贵精神。未来，数据存储技术还将继续发展，如同宇宙的探索一样，未知而充满无限可能。