第 1 集

三星旅程之始

当今,随着世界进入第四次工业革命,这样一个 5G 和大数据等技术正在改变我们工作和生活的方式并在这个过程中产生大量数据的时代,闪存正变得越来越重要。

自 2002 年首款 1Gb(吉比特)NAND 闪存投入量产,正式坐上闪存市场头把交椅以来,三星电子一直勇往直前,势如破竹。如今,18 年之后,凭借一系列突破性发展,包括发布并量产全球首项 3D V-NAND 技术,能够交付最高水准性能和品质的产品及解决方案,三星电子持续引领着市场的发展。

化极限为机会:拥抱 3D 存储芯片时代 三星电子在闪存市场获得成功之前,已然引领 DRAM 领域多年。在 1999 年开发出首款 1Gb NAND 闪存后,该公司在 2002 年推出了 2Gb NAND 闪存,2003 年推出了 4Gb,2004 年推出了 8Gb,2005 年推出了 16Gb,2006 年推出了 32Gb,以及 2007 年 推出了 64Gb,持续不断地拓展了其内存技术能力。

An illustrative image of Samsung’s 1Gb and 2Gb NAND flash. (左起)三星 1Gb 和 2Gb NAND 闪存

与此同时,三星电子逐渐稳固了其在精细加工方面的领导地位。公司于 2002 年成功开发出了 90 纳米 (nm) 工艺技术设计,此后于 2003 年开发了 70nm,于 2005 年开发了 50nm,以及于 2006 年开发了 40nm。2007 年,三星电子将其工艺技术提升至 30nm 级别,这项成就被许多人认为是一项全新尖端技术的开始。

在 2006 年,三星电子将其首款 40nm 32Gb NAND 闪存商业化,该闪存采用了一项创新性电荷撷取闪存 (CTF)* 架构,能够克服当时普遍采用的“浮栅”架构的局限。

电荷撷取闪存 (CTF):一项利用穿孔氮化物(亦称为“陷阱”)作为绝缘体存储电荷的 NAND 闪存技术。这形成了一个二进制系统,其中存储电荷的陷阱表示 1,而空陷阱则表示 0。通过将导电的“浮栅”方法替换为不导电的氮化物,CTF 能够有效地消除相邻小区之间的串扰或干扰。

随着扩充存储容量和强化精细加工的措施的发展,他们发现了 CTF 方法存在的一些技术局限。自从采用 10nm 级工艺技术的 128Gb NAND 闪存开发以来,随着单元变得更小,相邻单元之间的距离缩短,单元间干扰加剧。

An illustrative image of the progression of floating gate, charge trap flash (CTF) and 3D vertical NAND (V-NAND) technology. 一张显示浮栅、电荷撷取闪存 (CTF) 以及 3D 垂直 NAND (V-NAND) 技术进展的展示图

2013 年 8 月,为了克服半导体微型化的技术限制,三星电子开发了 3D 垂直 NAND (3D V-NAND) 闪存技术。由于之前在克服这些限制方面所作出的努力毫无进展,公司对这一技术的成功商业化,被视为存储芯片行业的一个突破性时刻。

三星电子的独家创新,尤其是其圆柱形 3D CTF 和垂直堆叠技术,让 V-NAND 突破成为了现实。这一进步还实现了与传统平面 NAND 相比的三项显着改进——即更快的速度、更低的功耗和更高的单元耐用性。一项克服了芯片密度局限的安全、高容量 NAND 闪存技术就此诞生,并将引领着我们进入所谓的“太比特 时代”。

通往闪存市场头把交椅之路 如今,三星电子为(拥有)引领全球闪存市场发展的历史而倍感自豪。但这一切是如何开始的?

1984 年 7 月,该公司成功开发出 16Kb 电可擦可编程只读存储器 (EEPROM),该产品被认为是闪存的前身。但由于成本过高以及大规模产品开发的限制,公司决定将其重心转移到利润更丰厚的掩模只读存储器 (MROM)。Mask ROM 是一种技术,应用于存储字符的设备,如电子词典,以及当时流行的 Game Boys 和 Tamagotchi 等游戏设备。芯片 始终供不应求,因为只有少数几个日本公司在生产芯片。

三星电子决定开发自己的 Mask ROM 技术,并于 1989 年成功开发。这一举措最终带来了 4 亿美元的营业收入。但不久之后,公司就碰壁了。当时,对 MROM 的需求仅限于特定的市场,因为该技术缺乏各种应用。这导致三星电子重新审视是否值得在此类技术上进行投资。然而,公司的管理层和员工仍然持续投入精力进行研究, 坚信闪存时代的黎明终会到来。

在 2001 年 8 月的一个仲夏日,三星电子的许多高层人员聚集在东京一家名为 Zakuro 的餐厅。他们正在考虑三星电子是否应该接受一家属于当时闪存行业龙头企业的公司提出的合作开发建议,还是应该独立开发自己的技术。

深思熟虑后,早已预测闪存将成为市场主流并已逐步为此进行筹备的三星电子,最终决定走自己的路。所谓的“Zakuro 会议”开启了三星电子闪存业务的新篇章,而这一业务最终演变成了一个关键的增长动力。

迈向成功的最初几步并不容易。三星电子缺乏成熟市场来销售其产品,当时甚至还有坊间传言称,NAND 闪存市场会萎缩 35%。简而言之,三星电子要想在这个市场上生存下去,就需要采取积极的对策。

为了应对这些挑战,公司将注意力转向这项技术的全新应用— 一个可以充分利用,不仅已经成长至 1 亿台规模且还在不断增长的 PC 市场的应用。当然,我们所说的是便携式闪存。如今,尾指大小的 U 盘已经非常常见,它们是帮助三星克服这些挑战,并在 2002 年成为市场最大闪存制造商的不可或缺的一部分。

2005 年,预测全球 NAND 闪存市场会面临供过于求的局面。三星电子的应对方式是,集中精力寻找全新市场,并遵循“如果没有市场,那就创造一个”的原则。它成功劝说其客户公司宣传闪存相对于其他形式的存储介质的优势。因此,闪存在当时的模拟音乐播放器市场开始出现惊人的增长,而凭借在闪存已成为标配的 MP3 播放器市场取得的巨大成功,三星电子再一次确立了自己在闪存领域的领导地位。

在 2000 年代中期,三星率先将 SSD 商业化,创造了一个最终可能取代 HDD 的巨大市场。通过持续不断的创新,公司稳坐闪存市场的头把交椅至今。如今,三星电子的管理层和员工正在努力提升闪存技术,向广大用户交付创新产品。

三星电子闪存技术发展史

  • 20 世纪 90 年代

    1994

    • 发布 16Mb NAND 闪存

    1998

    • 开始制造

    • 128Mb NAND 闪存

    1999

    • 开发出 1Gb NAND 闪存

    1999 年三星电子闪存技术发展史展示图。

  • 21 世纪 00 年代

    2002

    • 开始制造
    1Gb NAND 闪存

    • 开发出 90-
    纳米 (nm) 2Gb
    闪存

    2002 年三星电子闪存技术发展史展示图。

    2003

    • 开发出 70nm
    4Gb NAND 闪存

    2004

    • 开发出 60nm
    8Gb NAND 闪存

    2004 年三星电子闪存技术发展史展示图。

    2005

    • 开始制造
    70nm 4Gb NAND 闪存

    • 开发出 50nm
    16Gb NAND 闪存

    2006

    • 开始制造 60
    纳米 8Gb

    • 开发出 40nm
    32Gb NAND 闪存

    2007

    • 开始制造
    50nm 16Gb NAND 闪存

    • 开发出 30nm 64Gb
    NAND 闪存

    2007 年三星电子闪存技术发展史展示图。

    2009

    • 开始制造
    30nm 32Gb NAND 闪存


  • 21 世纪 10 年代

    2010

    • 开始制造
    20nm 32Gb 和 20nm
    64Gb NAND 闪存

    2012

    • 开始制造
    10nm 64Gb NAND 闪存

    2013

    • 开始制造
    10nm 128Gb NAND 闪存
    以及第 1 代 128Gb V-NAND
    (24 层)

    2013 年三星电子闪存技术发展史展示图。

    2014

    • 开始制造
    第 2 代 128Gb V-NAND
    (32 层)

    2015

    • 开始制造
    第 3 代 256Gb V-NAND
    (48 层)和 128GB eUFS

    2017

    • 开始制造
    第 4 代 V-NAND (64 层)

    • 开发出 1Tb V-NAND

    2018

    • 开始制造
    256GB eUFS 和
    第 5 代 V-NAND
    (90 层级)

    2019

    • 开始制造
    1TB eUFS

    三星电子 eUFS 芯片展示图。