EETOP

EETOP创芯网(易特创芯):国内著名的老牌电子工程师社区及半导体行业门户网站(150万会员)

bbs.eetop.cn

blog.eetop.cn edu.eetop.cn

来源：芯论语

摘要：存储器走过了穿孔纸带和纸卡、磁鼓和磁芯、磁带机和磁盘机的原始时代；经历了硬盘、软盘和光盘逐步变小的商用化时代；度过了现代软盘、硬盘和光盘广泛应用的黄金时代。集成电路(芯片)存储器伴随着其它类型的存储器而生，不断发展，并道超车，在本世纪迎来了一统江山的辉煌岁月。在其发展过程中，芯片存储器先取代了早期原始的存储器，再以U盘等移动存储器淘汰了软盘和部分光盘，目前正在用固态盘逐步蚕食着硬盘的疆土。随着技术进步，计算机等设备内装的芯片存储器越来越多，满足了人们不断增长的存储消费需求，芯片成为支撑信息化社会的重要基石。

本文讨论的存储器专指计算机、数码产品、智能终端和数字设备相关的存储器。不讨论音视频电子产品相关的存储器。存储器若按照存储介质和所处时段，大致可分为纸介质时代（1840～1930，约90年）、磁介质时代（1930～2010，约80年）、光介质时代（1980～至今，约40年）和芯片介质时代（1970～至今，约50年和更长）。若按照存储器在计算机中所处的位置，分为内部存储器（简称：内存）和外部存储器（简称：外存）。内存主要包括静态随机访问存储器(SRAM)、动态随机访问存储器(DRAM)和可编程只读存储器(PROM)。外存主要包括磁带、光盘、硬盘(HD)和软盘(FD)。闪速存储器(简称闪存、Flash)是一种新型的芯片存储器，既可以用作内存，也可以用作外存。

目前， DRAM和Flash是计算机、数码产品和智能终端内存的主力，U盘、存储卡和固态盘(SSD)完全依靠Flash来实现。外存中，磁带机早已被光盘和硬盘取代；软盘已被U盘为代表的移动存储器所淘汰；近年来，硬盘也逐步被固态盘取代；光盘仅应用在部分数据备份的场合。

DRAM、Flash和光盘是目前存储器的三大金刚，以DRAM和Flash为代表的芯片存储器是今天和未来的存储器之王。

图1.数据存储器的分类

一、原始的存储器

原始的存储器主要包括穿孔纸带和穿孔纸卡、磁鼓存储器和磁芯存储器、磁带机和磁盘机，以下逐一简略介绍。另外还有威廉姆斯管(1946年)、汞延迟线(1947年)、计数电子管(1953年)等因价格昂贵、不常用、或者使用昙花一现等原因，本文不一一介绍。

1.穿孔纸带和穿孔纸卡

1846年，传真机和电传电报机的发明人，美国物理学家亚历山大·贝恩（Alexander Bain）最早使用了穿孔纸带。穿孔纸带早期用作数控装置的控制介质，后来也用作计算机的指令和数据输入载体，因此也叫作指令带。纸带上一排排的孔位上，有孔或无孔表示二进制的1或0。因此，一卷纸带可以存储一组数据或计算机指令。（1982年笔者大三学习FORTRAN语言，上计算机实习课时，就是用这种纸带输入了自己编写的一小段程序）。

图2.计算机操作员检查穿孔纸带。纸带数据容量：3937字符/10米

1888年，美国统计学家赫尔曼·霍列瑞斯（Herman Hollerith）研制了穿孔制表机，采用在纸卡上打孔的方式记录统计数据。霍列瑞斯同期发明了自动制表机，用于1890年后历次的美国人口普查，获得了巨大的成功。直到1930年代，IBM每年仍要销售上千万张穿孔纸卡。与纸带类似，纸卡上一排排的孔位上，有孔或无孔表示二进制的1或0。因此，一张纸卡可以存储一组数据，美国人口普查的大量数据要用大批穿孔纸卡来存储。

图3.穿孔纸卡的打卡员、输入员和统计员。纸卡数据容量：100字符/卡

2.磁鼓和磁芯存储器

1932年，IBM公司的奥地利裔工程师古斯塔夫·陶斯切克（Gustav Tauschek）发明了第一种被广泛使用的计算机存储器，称为“磁鼓存储器”。直到1953年，磁鼓依然是大型计算机的主要存储方式。例如，IBM701计算机使用磁鼓作为内部存储器。磁鼓长度为16英寸，有40个磁道，每分钟可旋转12500转，仅可以存储10KB数据。

图4.磁鼓存储器一般用作计算机内存。磁鼓存储容量：10KB

1949年，美国哈佛大学实验室的王安 (An Wang) 博士发明磁芯存储器。磁芯存储器一直使用至1970年代，才被Intel的芯片存储器淘汰。磁芯存储器一般作为计算机的内部存储器，可以是一片平面的磁芯阵列，也可以由多片堆叠在一起，形成一个立体的磁芯阵列。（1983年笔者在苏州计算机厂毕业实习时，曾练习过穿磁芯和测试磁芯存储器。当时用收音机靠近被测试的磁芯存储器，通过收听规律的“叮咚”声来判断磁芯存储器是否合格。当时觉着很奇妙，现在看来太过原始）。

图5.磁芯存储器与发明人王安博士。图(左)磁芯存储器阵列，图(中)磁芯存储器板。

3.磁带机和磁盘机

上世纪50年代初，磁带录音技术开始应用于计算机领域,出现了数据存储磁带机，本文称为磁带存储器。磁带机的存储容量较大，但只能顺序访问，查找速度慢，在计算机系统上用做备份存储装置，以便在硬盘机发生故障时，可以恢复系统和数据。（上世纪80、90年代，国内重要科研院所的计算机中心还使用柜式磁带机作为计算机的外部存储器和备份设备）。

图6.上世纪50～70年代的磁带机用作备份存储器。记录密度：800、1600、6250BPI。

磁盘机（简称：硬盘）也用作计算机系统的外部存储器，但它可以随机访问，查找速度快，是磁带机的替代方案。1956年9月13日，IBM公司发布了IBM 305 RAMAC硬盘。当时的新闻报道称，这个上顿重的硬盘，在存储容量方面有着革命性的变化，它可以存储“海量”数据，容量“高达”4.4MB，这些数据保存在50个24英寸的硬磁盘上。（现在看来，当时宣传的“海量”十分夸张，它只不过是3张1.44MB软盘的容量）。

图7.上吨重的IBM 305 RAMAC硬盘机需要飞机托运。总存储容量：4.4MB。

二、现代磁盘（硬盘和软盘）

上世纪50年代到本世纪，硬盘作为计算机的主要外部存储器，70多年来独领风骚。随着材料、控制和磁头技术的进步，硬盘体积不断缩小，容量、速度和可靠性大幅度提高。1980年6月希捷(Seagate)公司推出的ST-506 5MB 5.25英寸中型硬盘，标志着硬盘进入了民用时代。1983年第一款3.5英寸小型硬盘出现，但容量仍然处在MB量级。1988年出现了首款2.5英寸微型硬盘。1991年IBM采用磁阻 (MR)技术推出了首款3.5英寸的1GB硬盘IBM 0663-E12，开创了民用级GB级容量硬盘的先河，从此硬盘容量开始进入了GB量级提升。1997年IBM推出巨磁阻(GMR)磁头技术更是划时代的创新。MR磁头能够达到3～5 Gb/inch²的存储密度，而GMR磁头可以达到10～40Gb/inch²，使磁盘容量可以提高8倍之多。随后，3.5英寸的硬盘成为现代计算机硬盘的标准规格，2.5英寸硬盘则成为笔记本电脑的标配。

今天，笔记本电脑内装硬盘和外用移动硬盘可采用2.5英寸或1.8英寸规格的硬盘，容量可高达2TB（2048GB），相当于435张DVD光盘的容量。

图8.硬盘尺寸不断缩小，容量却快速增大

1967年IBM推出了世界首张直径32英寸的软盘。1971年 美国人阿兰·舒加特(Alan Shugart)推出直径8英寸软盘，他1976年又研制了5.25英寸软盘用在早期IBM PC中，容量为700MB。后来，他离开IBM公司创办了希捷(Seagate)公司，被尊为磁盘之父。1979年索尼公司推出3.5英寸的双面软盘。流行的软盘主要是5.25英寸和3.5英寸两种，容量也从360KB、720KB到最高的1.44MB。1980～2000年的20年间，后两种软盘成为PC的主要外部可移动存储器。

图9. 三种大小尺寸的软盘

在计算机技术领域，存储器容量的单位有b(bit)、B(Byte)、MB、GB和TB。它们的换算关系是：1B=8b,1KB=1024B,1MB=1024KB,1GB=1024MB,1TB=1024GB。（在实际生活中， 1024的换算关系可简化为1000的换算关系，即1KB=1000B，依次类推，有误差并不重要）。

从下图可以看到，60多年来硬盘尺寸在缩小，存储容量却快速增大。从MB级、GB级和TB级分三个阶段跃升。第一阶段（1956～1991年，35年时间）：硬盘容量在MB量级提升；第二阶段（1991～2007年，16年时间）：硬盘容量在GB量级提升；第三阶段（2007年以后）：硬盘容量超过了1TB，在TB量级提升。目前市场上已有容量为10TB的硬盘销售。

图10.硬盘容量三阶段提升的示意图（来源：由公开信息整理）

三、光盘存储器

1985年Philips公司和Sony公司公布了在光盘上记录计算机数据的黄皮书，之后CD-ROM便在计算机领域得到了广泛应用。光盘存储器具有存储密度高、容量大、可随机存取、保存寿命长、工作稳定可靠、轻便易携带等一系列优点，是其它记录媒体无可比拟的。它特别适用于大数据量信息的存储和交换，而且能够同时存储声音、文字、图形、图象等多种媒体信息。光盘使信息存储、传输、管理和使用方式发生了根本性的变化。随着光盘技术进步，光盘的标准和新型光盘不断涌现，例如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-R、DVD-RAM、DVD-RW、DVD+RW等，容量从700MB上升到了4.7GB。

图11.CD、DVD光盘和光盘驱动器。

四、集成电路(芯片)存储器

本文把集成电路存储器称为芯片存储器。1966年，IBM公司的研究人员罗伯特·登纳德(Robert H. Dennard)博士发明了晶体管动态随机访问存储器（DRAM），并在1968年获得专利。1970年10月，Intel推出了首个DRAM芯片C1103，容量仅1Kbit，售价10美元。它标志着DRAM内存时代的到来。Intel公司由C1103赚取了第一桶金，随后凭借DRAM发家并独霸市场。到1974年，IntelDRAM的销量占据全球市场的份额高达82.9%。后来，以DRAM为代表的芯片存储器也成为了磁鼓、磁芯等原始存储器的终结者。

图12.美国Prime公司电脑板上的批量C1103芯片（1972年）。1Kb的C1103卖10美元，1KB费用就是80美元，1MB内存费用高达8万多美元？贵，实在是贵！

50多年来，随着计算机和智能设备在各行业的广泛应用，芯片存储器不断细分，不断创新，多种类型的芯片存储器被研制出来，以满足不同的应用需求。用量最大的有以下几种。

1.可编程只读存储器（PROM）：这是一种只能写一次数据，以后就只能读出数据的存储器，也叫一次可编程只读存储器(OTP ROM)。它是非易失性内部存储器，一般用于存储固定的程序和数据。

2.动态随机访问存储器（DRAM）：这是一种通电后依靠不断动态刷新（Refresh）来保存数据，断电后数据丢失的随机访问存储器，也称为易失性存储器。它一般用作计算机内存，而且计算机每次开机时，都需要把程序和数据由PROM重新载入到这种DRAM内存中去，这个过程称为上电加载。双倍数据速率(DDR)DRAM、 同步动态随机存取存储器(SDRAM)、存储器总线式动态随机存储器(RDRAM)等都是DRAM的细分类型，都属于易失性内部存储器。

3.静态随机访问存储器（SRAM）：这是一种通电后不用动态刷新就可以保存数据，断电后数据会丢失的随机访问存储器，计算机每次开机时也需要上电加载。也是易失性内部存储器。

4.闪速存储器（Flash Memory，简称：闪存、Flash）：这是一种断电后数据可永久保存的存储器，既可以作内存，也可以作外存，它是非易失性存储器。在没有供电情况下能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘。因此，Flash可以用来做U盘、存储卡和固态盘。

图13.几种主要的芯片存储器

(PROM、DRAM、SRAM和Flash)

五、芯片实现的移动存储器

60年代，适应数据转移存储和备份的需求，出现了软盘和光盘，随后成为了移动存储器的主力军，得到十分广泛地应用。但进入新世纪后，由于计算机速度大幅提升，与外部传送的数据量也越来越大，人们对外部存储器的访问速度提出了新的要求，软盘、光盘等旧的移动存储器已无法满足这种要求。

本世纪初，芯片存储器的价格降低和容量快速增加，U盘和各类微型存储卡应运而生，很好地满足了人们对容量大、访问速度快的移动存储器的需求。随后，软盘首先被淘汰，光盘也部分地被取代。并且随着芯片固态盘的快速发展，大有逐步取代硬盘和光盘的趋势。对于移动存储器的这些变化，大家应该都是经历者和见证者，所以本文不必赘述。

新移动存储器的兴起和旧移动存储器的消亡，直接的推手是芯片存储器的发展。早期DRAM产业为主导国家带来丰厚利润，因此导致了多国之间激烈争夺，也可看成是围绕DRAM主导权争夺的芯片存储器战争。

图14.芯片存储器实现的各种U盘、存储卡和固态盘。

六、芯片存储器战争

DRAM是市场容量最大的芯片存储器。自它广泛应用的50年间，已累计创造了数万亿美元的产值，并在美国、日本、德国、韩国、中国台湾间上演了输赢千亿美元的芯片存储器战争，各方投入资金巨大，情节曲折，争夺惨烈。过程简述如下，详情可参考资料2、资料4。

第一回合(日本挑战美国)：1970年Intel依靠批量生产DRAM大获成功，盈利十分丰厚，彻底淘汰了磁芯存储器。1976年日本厂商进攻DRAM市场后，依靠物美价廉，批量大生产，差点逼死Intel公司。（Intel放弃存储器后转向了CPU方向，寻找到新的致富门路，才得以起死回生）。1982年，日本成为全球最大的DRAM生产国。

第二回合(美国扶韩抗日)：1985年美国发动经济战争，日美半导体协议的签署,美国扶植韩国厂商进入DRAM产业，设备加技术支持，又将日本厂商逼上绝路。1996年，韩国三星电子的DRAM芯片出口额达到62亿美元，稳居世界第一。1997年亚洲金融风暴，差点将韩国厂商逼死。后来美国控制韩国经济后，韩国厂商又借着DRAM市场的暴利翻身崛起。

第三回合(韩美独霸世界)：1994年台湾人冲进DRAM市场，先后投入500亿美元却亏得血本无归。2007年全球经济危机，逼死了德国厂商，并将台湾DRAM厂商打翻在地。目前，英飞凌(奇梦达)和尔必达都已不在，三星、SK海力士和美光占据全球约96%的市场份额，独霸江湖。

在用量不断攀升的Flash市场上，也曾上演了芯片存储器各国玩家的争夺，目前结局是三星、铠侠(KIOXIA)、西部数据、美光、SK海力士、Intel占据全球约99%的市场份额。

中国为自主可控而战：中国是芯片存储器消费大户，经济利益放一边，仅从自主可控考虑，中国不可能永远依赖进口芯片。2017年，中国大陆厂商冲了进来，准备投资660亿美元，进攻DRAM市场。希望可以冲破国外技术壁垒，迎来中国芯片自主可控的春天。

七、芯片存储器新貌

芯片存储器自商用以来，就以体积小、稳定可靠、存储密度高、访问速度快、适用各种应用场合的优点，不断淘汰着传统的存储器。在计算机内存方面，芯片存储器先淘汰了磁鼓和磁芯存储器。在计算机外存方面，芯片存储器先以U盘和各种存储卡取代了软盘，现在又在以固态盘取代一部分硬盘。目前，芯片存储器、硬盘和光盘是计算机存储器的三大主力，而芯片存储器在移动终端中是绝对的主力存储器。

以下通俗地介绍几个芯片存储器的典型应用，窥斑见豹，助您了解目前芯片存储器的“高、精、尖”技术全貌。

1.手机内存增大、人的需求更大。今天智能手机配128GB内存不算太富裕，256GB还算凑合。因为白领人士需要掌上办公，需要装软件和存放公文，所以需要更大内存。普通市民也需要安装各色APP，随手拍的美图也舍不得删掉，所以也需要更大内存。只要价格可以接受，内存多多益善。内存大小为256GB是什么概念？它相当于54张DVD光盘的数据容量。如果还想增大？那你看看下图手机主板上拥挤堆叠的芯片，空间已被占满，扩充内存不能靠增加内存芯片数量，只能靠增加单个内存芯片的容量，要靠芯片技术的进步作支撑！

图15.华为Mate 20 X (5G)手机（8G内存+256闪存）

2.轻巧便携、访问快捷的固态盘。2020年02月，江波龙旗下雷克沙推出SL100pro移动固态盘，它的大小仅73mm×55mm，重量仅70g，存储容量竟能达到1TB（1024GB），而且访问速度达到950MB/s。这么小巧的固态盘的存储容量竟相当于200多张DVD光盘的数据容量，并且比传统硬盘读写速度快得多。

图16.雷克沙SL100 pro固态硬盘

3.体积微小、容量超大的存储卡。下图中，SD卡是1999年由松下电器、东芝、闪迪三家公司推出的标准型存储卡，2003年闪迪推出了小一号的Mini SD卡，不久又与摩托罗拉联手推出更小的TF卡，2005年TF卡被纳入了SD协会的行业标准，改名为Micro SD卡。在后来十多年里，Micro SD大受数码产品欢迎，虽然外形未变，但它的存储容量随着Flash技术进步而不断提升。

2018年10月，华为发布了Nano存储卡(也称为NM卡)，并宣布Mate 20系列手机全面支持NM卡。一举结束了手机存储卡十三年外观不变的历史。NM卡体积比当前流行的MicroSD卡小了45%，成为全球体积最小的手机存储卡。

江波龙旗下雷克沙推出的nCARD卡与NM卡的尺寸和用法相同，是获得华为NM卡相关专利授权后推出的新品。目前MicroSD卡、NM卡和nCARD的存储容量都可做到512GB，相当于100多张DVD光盘的数据容量。

图17.存储卡体积变小，存储容量不断增大

4.DRAM和Flash的支撑有大功劳。如果没有芯片存储器DRAM和Flash技术的进步，人们就无法享受今天的信息化便利。例如，你无法使用如此轻薄小巧的智能手机，无法拍照和保存高清晰的照片，无法播放音乐和视频，也不可能在如此小巧的U盘或者存储卡上存储相当于几十张(甚至上百张)光盘容量的数据，包括音乐、视频、照片和文件等。这些是怎么做到的呢？归功于芯片存储器的大规模集成和3D堆叠封装技术。

今天，在不到1cm²的Flash裸片上存储容量可做到256Gb。按照NM卡的大小，其中只能装入1片裸片。如果要设计一款256GB容量的NM卡，至少需要8片裸片。只能把裸片堆叠封装在一起，前提是裸片要足够的薄。2018年10月，华为和江波龙先后推出的NM卡和nCARD都使用了3D堆叠封装技术。他们采用的256Gb的Flash裸片厚度仅为30μm，相当于头发丝的1/3，8片裸片堆叠在一起并加上基板，合计厚度不超过0.7mm。假如把NM卡一刀切开，可以看到图18所示的横截面， Flash裸片堆叠放置在基板上，裸片之间、裸片与基板上之间相互连接，基板底部有金手指外露，用于在NM卡插入读卡器后与数码终端交换数据。

图18.NM卡3D堆叠封装示意图(8片Flash裸片堆叠)

5.芯片存储器支撑着个人的存储消费。PC出现之前，存储消费主要是工用消费。进入PC时代后，民用存储消费快速增加。到了移动互联网时代，个人消费成为存储消费的主力。未来在个人影音娱乐、照片、视频、个人资料保存方面，芯片存储器的个人消费量将继续增大。5G应用还将进一步引发信息爆炸，芯片存储器的消费量还将大幅增加。

下表以笔者自身为例，统计一个办公室白领的个人存储消费量。以此，根据全国乃至全球白领人数，大致可以估算硬盘、DRAM和Flash芯片存储器的市场容量。

图19.典型办公室白领的存储器消费一览表

八、芯片存储器容量、价格走势

在本世纪20年里，芯片存储器的技术突飞猛进，需求大幅增长。Flash芯片出货量近五年来以40%以上的增长率攀升。但市场规模增长不大，围绕10%不到的增长率震荡。说明芯片存储器容量扩大、应用扩大，但是，单位存储器的价格却是震荡走低，导致了市场规模变化不大。单位存储器价格走低是推升人们应用需求扩大的重要因素。

图20.闪存芯片出货量、芯片存储器市场规模的变化图（来源：中国闪存市场CFM）

由芯片存储器实现的固态盘全球出货量连年快速增长，2020年固态盘在PC市场的搭载比率将达到70%，芯片存储器逐步淘汰硬盘的趋势明显。

图21.全球固态盘出货量和消费类固态盘在PC市场的占比变化图（来源：中国闪存市场CFM）

九、国内芯片存储器发展现状

芯片存储器无疑已成为人类信息化社会的重要支撑。中国需要奋起直追，努力补好芯片存储器这个短板，这是一场只许胜不许败的战争。2015年7月，紫光集团向全球第三大DRAM厂商——美国美光科技发出收购要约，金额高达230亿美元。因为惧怕美国政府阻挠，美光科技拒绝这项交易。中国靠收购不行只能自己干。

2016年紫光集团宣布投资240亿美元，在武汉建设国家存储器基地，占地超过1平方公里，计划2018年一期建成月产能20万片，预计到2020年建成月产能30万片，年产值超过100亿美元。2017年1月紫光集团又宣布投资300亿美元，在江苏南京投资建设半导体存储器基地，一期投资100亿美元，建成月产能10万片，主要生产3D Flash、DRAM存储芯片。

2019年9月长江存储已开始量产基于Xtacking™架构的64层256GbTLC 3D Flash，且是目前国内唯一量产成功并导入客户群的存储原厂。2020年逐步提升产能，Xtacking2.0将导入到第三代128层3D Flash中。当前及今后一段时间的核心任务是推动产能爬坡提升，将尽早达成64层3D Flash产品月产能10万片，并按期建成30万片的月产能。

2016年合肥长鑫投资494亿建DRAM生产厂，技术来源于奇梦达，下设一座拥有65000㎡洁净室的晶圆厂。计划2018年建成月产能12.5万片。2019年9月长鑫存储10nm第一代8Gb DDR4亮相，实现中国DRAM技术的突破。

结语：80年代，PC内存容量只有64～256KB，硬盘容量10～20MB，计算机程序员在编程时，如果能少占用几个字节的内存，又能完成相同的程序任务，会很有成就感。今天PC内存和硬盘容量大约是当时的5万多倍，程序员根本不会在乎内存用了多少，好像用之不竭。这完全是芯片存储器快速发展的功劳。存储器从纸、磁、光介质走向芯片介质，从原始走向现代，变得更小、更强、更便宜。这些进步完全依赖于芯片技术按照“摩尔定律”不断向前发展。芯片存储器不断满足着人们对信息存储的需求，推动着人类社会进入信息化和智能化社会。芯片当之无愧成为信息化社会的基石。

资料推荐

网上最全！半导体资料免费下载！

ISSCC 2008~2020全网最全论文集+PPT下载

经典半导体制造工艺PPT(2000页）

PPT：FinFet 设计

PPT：简单易懂又全的 Level shifter 设计

超级经典资料：模拟集成电路讲义（1008页PPT）