Возможно, в это трудно поверить, но в 2022 году флэш-памяти исполняется 35 лет. Похоже, время летит особенно быстро, когда технология становится такой важной и широко распространенной, как флэш-память (Рисунок 1).
 |
|
| Рисунок 1. | Рост объема флэш-памяти для всех областей применения за последние 35 лет был значительным. |
С момента своего создания в 1987 году флэш-память стала фундаментальной технологией хранения данных, широко используемой в мобильных устройствах, коммерческих и персональных компьютерах, цифровых камерах, научно-исследовательском оборудовании, электронных музыкальных инструментах, медицинских устройствах, космических кораблях, автомобильных и авиационных системах и в практически бесконечном множестве других систем и устройств (Рисунок 2).
 |
|
| Рисунок 2. | Количество приложений, в которых используются флэш-накопители, росло вместе с размером, емкостью и производительностью. |
Оба типа флэш-памяти NOR и NAND были изобретены подразделением полупроводников Toshiba (впоследствии переименованным в KIOXIA). Первоначально устройство было названо «одновременно стираемое EEPROM». Название «flash» появилось позже в связи с тем, что процесс одновременного стирания большого количества ячеек памяти ассоциировался у разработчиков с фотовспышкой. В отличие от микросхем динамической памяти с произвольным доступом (DRAM), энергонезависимые флэш-устройства сохраняют записанную информацию даже после отключения питания.
NAND заменяет NOR
Оригинальное устройство NOR, хотя и являлось прорывной технологией, было ограничено по размерам и стоимости. Между тем конфигурация NAND отличалась уменьшенной площадью ячейки памяти, что позволило снизить стоимость хранения бита.
Несмотря на свой огромный потенциал, флэш-память отнюдь не стала сенсацией за одну ночь. На самом деле, некоторые недоброжелатели отрасли язвительно замечали, что флэш-память – это технология поиска проблем. Дела пошли настолько плохо, что в какой-то момент Toshiba, предшественница KIOXIA, даже подумывала о прекращении проекта. В то время такой вариант казался разумным, поскольку после трех лет коммерческой доступности флэш-память NAND так и не привлекла ни одного платежеспособного покупателя.
Ситуация меняется к лучшему
В 1990-х годах флэш-память NAND начала находить свои рынки сбыта и покупателей. Внедрение памяти ускорилось, когда производители цифровых телефонных автоответчиков, считывателей штрих-кодов, цифровых камер и MP3-плееров начали осознавать, что флэш-память NAND является идеальной технологией хранения данных для их продуктов.
На заре десятилетия Toshiba и SanDisk договорились о совместной разработке и производстве флэш-памяти гигабитного объема. Первое в отрасли совместное предприятие по производству флэш-памяти NAND проложило путь сегодняшним «мегафабрикам». Крупномасштабное производство снизило стоимость гигабита, что привело к использованию флэш-памяти NAND в более широком спектре продуктов.
Ситуация резко изменилась в 2001 году, когда переход от технологии одноуровневых ячеек (single-level-cell, SLC) к технологии многоуровневых ячеек (multi-level-cell, MLC) создал условия для крупносерийного производства, увеличения плотности и снижения стоимости бита.
Для удовлетворения растущего спроса на флэш-память в цифровых потребительских устройствах, включая мобильные телефоны и цифровые фотокамеры, в 2005 году была построена Fab 3 – мегафабрика по производству флэш-памяти NAND на пластинах 300 мм. Массовое производство снизило стоимость гигабита, что еще больше расширило круг приложений, использующих флэш-накопители NAND.
Кроме того, в 2005 году появились микросхемы флэш-памяти NAND емкостью 8 Гбит, открывшие новую эру хранения 1 Гбайт данных на одном кристалле. В микросхемах использовалась технология MLC, позволявшая хранить два бита данных в одной ячейке, эффективно удваивая емкость памяти. Вскоре флэш-память NAND стала внедряться в ноутбуки и настольные компьютеры, обеспечивая превосходство в скорости, размерах, весе и потребляемой энергии по сравнению с накопителями на жестких дисках.
В 2007 году была анонсирована технология 3D флэш-памяти. Это событие в том же году было освещено в докладе на симпозиуме IEEE VLSI, в котором Toshiba представила флэш-память BiCS FLASH 3D.
Продолжая совершенствовать свою технологию BiCS FLASH, KIOXIA выпустила на рынок 3D флэш-память самой большой емкости в отрасли – 512 Гбит (Рисунок 3). Это позволило создать продукт емкостью 1 ТБ с 16-кристальной этажерочной архитектурой в одном корпусе, что дало возможность повысить плотность на каждый слой и положило начало «гонке слоев».
 |
|
| Рисунок 3. | Технология BiCS FLASH 3D позволила создать флэш- память NAND емкостью 512 Гб. |
Впечатляющие достижения
Даже спустя 35 лет продолжается стремительное развитие истории флэш-памяти. Например, прорывная технология четырехуровневых ячеек (quad-level-cell, QLC) позволяет значительно увеличить емкость за счет увеличения количества бит данных в ячейке памяти с трех до четырех.
В целом, флэш-память прошла большой путь за удивительно короткий промежуток времени. Технология позволила добиться впечатляющего роста цены гигабайта (с $10,000 в 1990-х годах до примерно $0.20 сегодня – снижение в 50,000 раз) и столь же впечатляющего увеличения емкости кристалла (с 4 Мб в 1990-х до 1.33 Тб сегодня).
Аналогичный прогресс был достигнут в области хранения мультимедиа. В музыке флэш-память совершила скачок от крошечной одной шестнадцатой песни, которая могла быть сохранена на 4-мегабитном кристалле NAND, до 20,000 песен, которые могут поместиться на кристалле NAND объемом 1.33 Тб.
Движение вперед
Сегодняшние приложения с поддержкой флэш-памяти многочисленны и их количество постоянно растет. Теперь технология проникает в новые области, такие как облачные/периферийные вычисления, промышленная автоматизация, игровые устройства, ориентированные на виртуальную и дополненную реальность, носимые/цифровые медицинские устройства, искусственный интеллект и многие другие передовые системы и продукты.
Всего за 35 лет флэш-память превратилась из «решения для поиска проблем» в рынок с годовым оборотом в 70 миллиардов долларов. Если судить по прошлому, замечательное путешествие флэш-памяти продолжится далеко в будущем.
