Пионеры отрасли энергонезависимой памяти

Чип флэш-памяти NAND Intel/Micron

Устройства энергонезависимой памяти (Non-Volatile Memory, NVM) — это электронные элементы хранения данных, предназначенные для чтения и записи, продолжающие хранить информацию после прекращения подачи питания на устройство. В их число входят устройства на основе магнитных дисков и отдельные типы полупроводниковых чипов. Полупроводниковые энергонезависимые устройства играют важную роль во всех аспектах цифровой вселенной — от ячеек хранения информации огромных банков данных в облаке до портативных персональных устройств, и составляют один из крупнейших сегментов полупроводниковой промышленности, оцениваемой в 400 миллиардов долларов.

Как и любое важное полупроводниковое изделие, от транзистора до микропроцессора, NVM-устройства проделали большой путь от работ первых исследователей, взявших за основу труды своих предшественников и развив их благодаря вдохновению, удаче, пробам и ошибкам, а также решимости игнорировать сомнения скептиков. В этой статье мы в хронологической последовательности расскажем о некоторых из таких первопроходцев и их вкладе, от первых зачатков идеи, возникших в 1960 году в Fairchild до крупномасштабного производства флэш-чипов последнего десятилетия 20-го века.

По поручению Semiconductor Special Interest Group (SIG) Джефф Катц записал интервью с людьми, совершившими большой вклад в развитие коммерческих полупроводниковых NVM-устройств, для коллекции устной истории Музея компьютерной истории. Многие процитированные ниже личные комментарии взяты из расшифровок интервью, к которым можно перейти по ссылкам в тексте.

Что было до полупроводниковой энергонезависимой памяти

До появления полупроводниковых устройств наиболее успешной технологией энергонезависимого компьютерного хранения информации была память на магнитных сердечниках, в которой использовался эффект магнитного гистерезиса. В своей диссертации 1952 года на докторскую степень MIT Дадли Бак описал ферроэлектрические кристаллы, использовавшие для хранения и перемагничивания цифровой информации похожий механизм гистерезиса. Рейд Андерсон и Уолтер Мерц, работавшие в Bell Telephone Laboratories, продемонстировали в 1955 году ферромагнитное устройство хранения, ставшее предшественником архитектуры полупроводниковых NVM-устройств. Применив технологии осаждения и травления, они изготовили 256-битный массив кристаллов, соединённых металлическими дорожками; позже такие технологии начали применяться для производства полупроводниковых интегральных схем.


Фотография из Scientific American magazine, июнь 1955 года.

Основатели располагавшейся в Колорадо-Спрингс компании Ramtron Ларри Макмиллан и Джордж Рор стали пионерами в коммерческом производстве устройств FRAM (Ferroelectric Random Access Memory), впервые появившихся в 1952 году.

Эволюция технологий ячеек NVM-накопителей — первые четыре десятилетия

В 1960-х начались исследования двух основных технологий проектирования полупроводниковых NVM-ячеек. В ячейке с «плавающим затвором» заряд хранится на электроде, не подключённом к внешней цепи. «Захват заряда», чаще всего называемый «нитридным захватом», позволяет хранить заряд в слое нитрида кремния, подключённого к активной цепи. Обе технологии обещали значительные преимущества и снижение затрат на производство, простоту использования и сохранение данных для различных областей применения.

Коммерческие компоненты и системы с использованием обеих технологий начали появляться в 1970-х. Изделия на основе захвата заряда чаще всего называли EAROM (Electrically Erasable Read Only Memory), а первые устройства с плавающим затвором — EPROM (Erasable Programmable ROM).

К 1980-м годам доминирующей на рынке технологией стала память с плавающим затвором. EPROM и их усовершенствованные версии, в том числе и первые флэш-продукты, стали составлять значительный процент от мировой прибыли полупроводниковой отрасли. В 1990-х технология Flash обеспечила создание новых возможностей для NVM-устройств, их начали использовать в твердотельных накопителях и потребительских цифровых устройствах.

1960-е — первооткрыватели элемента памяти

Са Чжитан, примерно 1989 год

Са Чжитан из исследовательской лаборатории Fairchild в Пало-Альто сообщил в 1961 году о том, что заряд можно хранить «в течение долгого времени (несколько дней)» на электроде затвора поверхностно-управляемого тетродного МОП-транзистора¹. Он отметил, что в разговоре с основателем Fairchild Виктором Гриничем и инженером Фрэнком Уонлэссом они «сразу же поняли потенциал этого открытия в устройстве памяти с плавающим затвором»². Они не стали разрабатывать идею продукта, поскольку в то время компания была занята устранением фундаментальных проблем стабильности в процессе производства МОП-транзисторов.

Самые первые задокументированные описания ячеек памяти с захватом заряда были созданы в лабораториях на обоих побережьях США в середине 1960-х. Эдгар Сэк, Чу Тинь и другие сотрудники Центральной исследовательской лаборатории Westinghouse использовали в 1966 году MNOS-структуру (Metal-Nitride-Oxide-Silicon) в качестве элемента захвата заряда³. Чу и Джон Сцедон рассказали о MNOS-элементе Westinghouse на Solid State Device Research Conference 1967 года в Санта-Барбаре. Эту технологию перенесли в отдел полупроводниковых изделий компании в Янгвуде для разработки электронных артиллерийских запалов на замену механическим запалам.


Чистая зона отдела полупроводниковых изделий Westinghouse в Янгвуде, примерно 1959 год. Фото Э. Сэка

В том же 1967 году шесть учёных под руководством Ричарда Вегенера из Sperry Rand Research Center (Садбери, Массачусетс) описали электрически программируемое неразрушаемое MNOS-устройство хранения с захватом заряда⁴. В предоставленном агентству НАСА отчёте 1968 года «Исследование новых концепций адаптивных устройств» Вегенер заявил, что MNOS — это «первое полупроводниковое устройство, обеспечивающее возможность электрически программируемого энергонезависимого хранения информации»⁵.

Дов Фроман-Бенчковски присоединился в 1965 году к исследовательской лаборатории Fairchild в Пало-Альто. В тандеме он писал докторскую по теме «Перенос и захват заряда в MNOS-структурах и их применение в устройствах памяти» в Калифорнийском университете в Беркли, где «знал об этой теме больше, чем большинство профессоров». [Интервью с Довом Фроманом]. На основании своих работ он начал процесс подачи заявки на патент, который был зарегистрирован после его ухода из компании. В заявку на патент вошла структура маски для создания 9-битной MNOS-памяти с пословной организацией, которую он изготовил для демонстрации возможности крупномасштабных массивов интегральных устройств хранения⁶.


Давон Канг и Саймон Зи

Изучая в 1967 году четырёхслойный чизкейк на обеденном перерыве в Bell Telephone Laboratories (BTL), Мюррей Хилл, Давон Канг и Саймон Зи пришли к идее добавления четвёртого плавающего слоя для хранения заряда в МОП-транзисторе. Для доказательства жизнеспособности концепции они изготовили в лаборатории пару десятков устройств. «Устройства держались максимум час, после чего электроны начинали утекать» [Интервью с Саймоном Зи]. «Мой начальник сказал, что это совершенно бесполезно… Кому может оказаться полезным такое устройство?», — рассказывает Зи. Им разрешили опубликовать результаты работы в статье «Плавающий затвор и его применение в устройствах памяти», опубликованной в июле 1967 года в Bell System Technical Journal, но BTL не стала развивать эту идею. «Её просто положили на полку».


256-битное RMM на аморфных полупроводниках ECD/Intel, 1970 год

Автор многочисленных изобретений и предприниматель Стэнфорд Овшинский произвёл фурор в научном сообществе, заявив в 1968 году в New York Times о создании переключателя с памятью на основе элементов Овшинского. Это устройство, разработанное в его лаборатории Energy Conversion Devices (ECD) (Троя, штат Мичиган), использовало некристаллические халькогенидные материалы для создания переключателя, который включался или выключался, когда подаваемое напряжение достигало определённой величины. Овшинский заявил, что сможет производить более мелкие, быстрые, простые, надёжные и дешёвые электронные схемы, чем это возможно на основе транзисторов. Студент магистратуры Чарльз Си, работавший над переключателем в ECD, сообщил, что основное преимущество технологии заключается в том, что «информацию можно хранить вечно (без ограничений по времени удержания данных)». [Интервью с Чарльзом Си]

Незадолго до этого основавшие Intel Роберт Нойс и Гордон Мур объединились с Овшинским для изучения технологии создания энергонезависимой памяти, чтобы дополнить ею собственные будущие ОЗУ на основе биполярных и МОП-транзисторов. В статье 1970 года, написанной Гордоном Муром, Роном Нилом и Д. Нельсоном из ECD, описывается 256-битная Read Mostly Memory (RMM), состоящая из плёнки аморфного полупроводникового материала, размещённого между двумя молибденовыми электродами⁷. Intel ограничилась этой демонстрацией концепции и не стала разрабатывать на её основе продукцию, однако она возродилась как основа для памяти на фазовых переходах 3D XPoint, о производстве которой Intel и Micron заявили в 2015 году; готовую продукцию Intel продавала под брендом Optane.

1970-е — появление промышленных NVM-изделий

Мультичиповый модуль BORAM компании Westinghouse, примерно 1975 год.

В начале 1970-х энергонезависимые MNOS-устройства памяти оказались привлекательным выбором для проектировщиков аэрокосмической продукции и защитных систем. ВВС США заключили с Sperry Rand контракт на изготовление 1024-битного массива EAROM, а Westinghouse спроектировала для армии США и других заказчиков электрически перепрограммируемые гибридные модули Block-Oriented RAM (BORAM). Несколько чипов, расположенных на керамической подложке, обеспечивали малый вес и компактность авиационных и портативных систем.

Перейдя в 1969 году в Intel, Дов Фроман продолжил исследование технологий MNOS-хранения. Однако в процессе изучения проблем стабильности, вызываемых миграцией заряда в новом техпроцессе производства кремниевого затвора компании, он придумал альтернативную идею хранения заряда в проводнике с плавающим затвором. «Это стало эволюцией того, что я называл устройством FAMOS (Floating-gate Avalanche-injection Metal Oxide Semiconductor) … которая была основой EPROM». [Интервью с Довом Фроманом] До подачи заявки на патент архитектуры он не был знаком с работами Канга и Зи в Bell Labs.


Дов Фроман-Бенчковски, примерно 1971 год. Фото: Intel Corporation

Фроман прекратил дальнейшую работу над MNOS-накопителем, чтобы сосредоточить свои усилия на проектировании продукта с плавающим затвором, а в 1971 году Intel представила свою 2048-битную EPROM с маркировкой 1702. EPROM-устройства программировались электронным способом, но стирание и повторное использование было возможно только после физической обработки чипа УФ-излучением через кварцевое окошко в корпусе. Более дешёвые, однократно программируемые версии (One-Time-Programmable, OTP), не требовавшие дорогого окошка для стирания, оказались популярными в системах с использованием микропроцессоров (MPU). Несколько поколений более объёмных и быстрых EPROM составляли наиболее прибыльную линейку продуктов Intel до середины 1980-х.


Кварцевое окошко пропускает ультрафиолетовое излучение для стирания данных EPROM

Японские производители полупроводников быстро распознали коммерческую перспективность EPROM. Пионер разработки интегральных схем Ясуо Таруи из токийской Electrotechnical Laboratory с коллегами предложили в 1971 году устройство с плавающим затвором на проводившейся в Токио Solid State Device conference⁸. За этим последовало множество исследовательских статей и успешных коммерческих продуктов японских компаний.


Руководство по EAROM компании GI, 1983 год

В 1969 году Эд Сэк перешёл из Westinghouse в General Instrument Corporation (Хиксвилл, штат Нью-Йорк). Он работал там вице-президентом и генеральным менеджером отдела микроэлектроники, начавшей коммерческое использование технологии MNOS в потребительской электронике. Его сравнение Westinghouse («Клуб джентльменов с примесью политики») и GI («Нижний Ист-Сайд Манхэттена с примесью уличных драк») демонстрирует значительные культурные различия военных и коммерческих полупроводниковых предприятий той эпохи. [Личный рассказ Эда Сэка]

В 1975 году GI представила Bit-Serial EAROM с маркировкой ER1400, которая была дополнена 16-битным микропроцессором CP1600 (совместная с Honeywell разработка); эти продукты были предназначены для цифрового, полностью твердотельного чипсета TV-тюнера, и продались миллионными тиражами. GI несколько десятилетий продолжала производить недорогие EAROM-устройства для потребительских товаров.

Среди прочих производителей, исследовавших технологии энергонезависимой MNOS-памяти, были McDonnell Douglas, Mitsubishi, NCR и RCA. Однако быстрый рост количества устройств и снижение цен, обеспеченные активной конкуренцией в области продукции с плавающим затвором, сделали EPROM предпочтительным для большинства сфер применения энергонезависимым решением.

Такие улучшения, как функция электрического стирания, ещё более упрочили позицию устройств с плавающим затвором. Эли Харари из Hughes Microelectronics (Ньюпорт-Бич, Калифорния) в 1976 году пришёл к «идее о том, что можно уменьшить слой подзатворного оксида в устройстве Фромана-Бенчковски с 1000 до 100 ангстрёмов, что позволит обеспечить электрическое программирование и стирание», избавив таким образом от необходимости медленного внешнего стирания ультрафиолетовым излучением. [Интервью с Эли Харари] В 1980 году Hughes представила 8-килобитную КМОП-память Electrically-Erasable PROM (EEPROM) с маркировкой 3108, а также чип статической ОЗУ с энергонезависимой ячейкой, названный NOVRAM.


Джордж Перлегос

Джордж Перлегос сделал вклад в несколько важных NVM-разработок компании Intel, в том числе и в первую EEPROM: 16-килобитное устройство 2816, созданное в 1978 году. Вместе с Гордоном Кэмпбеллом и Филом Сэлисбери Перлегос основал в 1981 году SEEQ Technology. В этой компании Перлегос, стремясь избавиться от необходимости отдельного источника питания высокого напряжения, руководил разработкой 5213 — единого EEPROM с 5-вольтным питанием, выпущенного в 1982 году. В его конструкцию был встроен генератор подкачки заряда, создающий напряжение, необходимое для обеспечения программирования. «Чтобы создать подобную память, нам нужно было разработать настолько маленькие генераторы подкачки заряда, чтобы их можно было разместить в каждом столбце и в каждой строке». [Интервью с Джорджем Перлегосом] Чтобы стимулировать использование своих устройств в областях, требующих высокой надёжности, SEEQ рекламировала их как устройства, способные выдержать не менее миллиона циклов записи.

Бывший инженер-технолог National Semiconductor Рафаэль Клейн основал в 1978 году в Милпитас (штат Калифорния) компанию Xicor, чтобы заняться устройствами NOVRAM и EEPROM. На первых этапах Xicor разделила рост зародившегося рынка с SEEQ, однако не справившись с конкуренцией в области производства массовых дешёвых устройств, завершила свою работу в 2001 году.

1980-е — появление архитектуры Flash

В 1980 году Фудзио Масуока из научно-исследовательского центра Toshiba в Кавасаки (Япония) нанял четырёх инженеров: М. Асано, Х. Ивахаси, Т. Комуро и С. Танака для работы над NVM-чипом для использования в массовых недорогих устройствах. В уже существовавших EPROM использовалось по два транзистора на ячейку памяти. Инженеры спроектировали более компактную однотранзисторную ячейку, соединяемую способом, напоминающим логический элемент NOR. Коллега Масуоки Сёдзи Ариизуми предложил название «flash» («вспышка»), потому что стирание должно было происходить со скоростью вспышки фотокамеры. Масуока рассказал об ячейке NOR Flash на International Electron Devices Meeting (IEDM) 1984 года, проводившейся в Сан-Франциско. Хотя ему и удалось уменьшить размер ячейки, из-за проблем с производством необходимых для устройства МОП-структуры с тремя слоями поликремния Toshiba не стала реализовывать коммерческую версию изобретения.

По словам Харари, Сатьен Мухерджи и Томас Чань из стартапа Exel Microelectronics, Inc. (Сан-Хосе, Калифорния) спроектировали флэш-структуру, которую можно было производить промышленным способом; она стала основой того, что Intel позже назвала NOR flash.


Фудзио Масуока

Прибыв в Вашингтон, чтобы защищать компанию в патентной тяжбе с TI, Масуока придумал идею архитектуры NAND Flash, которая могла бы обеспечить ещё меньший размер ячейки и увеличенные скорости записи/стирания по сравнению с NOR Flash. По возвращении Масуока спросил у Хисео Тадзири, работавшего в Toshiba руководителем отдела разработки потребительской электроники, сможет ли цифровая камера с четырёхмегабитной флэш-памятью NAND заменить плёнку. [Интервью с Фудзио Масуока] Тадзири понял, что NAND и в самом деле сможет заменить плёнку, и это привело к тому, что финансировать проект начал отдел производства камер. Масуока рассказал об устройстве на IEDM 1987 года в Вашингтоне, а производство 16-мегабитных чипов NAND Flash началось в 1992 году.

Недовольный тем, что Toshiba, по его мнению, недостаточно вознаградила его работу, Масуока в 1994 году уволился, став профессором Университета Тохоку. Вопреки японской культуре лояльности компании, он подал иск против бывшего работодателя, требуя компенсации, а в 2006 году уладил спор, получив единовременную выплату в 87 миллионов йен (758 тысяч долларов).

Стефан Лаи устроился в отдел Intel в Санта-Кларе для разработки технологии масштабируемой EEPROM. Работая совместно с Диком Пэшли, он создал способ добавления функции электрического стирания в уже существовавшие малоразмерные ячейки EPROM для создания архитектуры NOR Flash, которую можно было бы изготавливать по стандартному производственному техпроцессу. Отдел NVM заявил, что технология не будет работать, поэтому Лаи и Пэшли встретились с Гордоном Муром, который сказал им: «Я этим займусь, не суетитесь». [Интервью с отделом разработки Flash компании Intel] Начав разработку нового бизнес-устройства на основе Flash в Фолсоме (Калифорния), Пэшли и Лаи вместе с проектировщиком Найлсом Кайнеттом в 1986 году продемонстрировали работающие чипы, а в 1987 году выпустили 256-килобитный продукт NOR Flash.

К концу 1980-х мировой рынок полупроводниковых NVM-устройств всех технологих производства превысил два миллиарда долларов. Наиболее популярными продуктами той эпохи были EPROM на 64 Кбит, 128 Кбит, 256 Кбит и 1 Мбит, к тому же начали появляться первые устройства на 2 Мбита⁹. Производители из США, лидерами среди которых были AMD, Intel, Motorola, SEEQ и TI, получали примерно 50% от мировой прибыли рынка. Оставшаяся прибыль разделилась между европейскими, в основном SGS-Thompson (10%), и японскими поставщиками Fujitsu, Hitachi, Mitsubishi, NEC, Oki, Toshiba (40%), однако их поставки были ограничены правительственными квотами на производство (MITI).

1990-е — твердотельные накопители и новые потребительские области применения

В 1990-х технология Flash создала новые возможности для NVM-устройств в конфигурациях как с NAND, так и с NOR. Архитектура NOR Flash имела преимущества произвольного доступа и малого времени чтения, а её функция execute-in-place (XIP) идеально подходила для выполнения кода, а значит, и для сферы обработки данных. NAND Flash имела более низкие скорости чтения, но гораздо меньший размер ячейки, позволяя создавать недорогие устройства с повышенной плотностью, что идеально подходило для внешних накопителей. Кроме того, доступ чтения/записи к блокам NAND имитировал доступ к дисковым приводам.


Прототип SSD-модуля компании SanDisk (бывшей SunDisk), созданный для IBM (1991 год)

Эли Харари, в 1970-х ставший пионером техпроцессов с тонким слоем оксида в Hughes Aircraft, в 1988 году основал SunDisk (позже переименованную в SanDisk) для разработки устройств памяти большой ёмкости на основе флэш-памяти. Вскоре к нему присоединились сооснователи компании Джек Юань и Санджай Мехротра, а также архитектор систем Роберт «Боб» Норман. Первым крупным заказом компании стали 10 тысяч 20-мегабайтных 2,5-дюймовых ATA-устройств, совместимых с plug and play, которые в 1991 году должны были заменить 20-мегабайтный жёсткий диск Connor в ThinkPad PC компании IBM. В то время надёжность флэш-памяти была низкой, однако Харари вдохновляли отзывы заказчиков о прототипах устройств: «Если несколько устройств проработают у меня все выходные без сбоев, значит, у вас получился хороший продукт». [Интервью с Эли Харари]

Для достижения уровней надёжности, необходимых для коммерческого применения, потребовалось несколько поколений усовершенствований техпроцессов производства и архитектуры систем флэш-памяти. Харари встроил в устройства метаданные, позволявшие его прошивке выполнять коррекцию ошибок, скрывая таким образом от пользователя проблемы с надёжностью — критически важного для популярности технологии фактора. Массовые ноутбуки с SSD появились на рынке в конце 2000-х, а современные SSD являются самым быстрорастущим сегментом рынка компьютерных накопителей.


Основатели SanDisk: Юань, Мехротра и Харари

Новые возможности возникли у SanDisk после того, как компания представила в 1994 году карты CompactFlash для цифровых камер. «Мы поняли, что вместо того, чтобы кто-то другой продавал плёнку или её продавали продавцы камер, нужно создать вторичный рынок флэш-карт. Превращение его в международный бренд стало поворотным фактором в истории компании», — рассказывает Мехротра. [Интервью с Санджаем Мехротра] В 2016 году SanDisk приобрела компания Western Digital.

Современные флэш-технологии доминируют на рынке NVM-устройств, который в 2019 году превысил 50 миллиардов долларов, и составляют крупнейший сегмент мировой полупроводниковой промышленности. Крупнейшим поставщиком флэш-чипов стала Samsung, имея примерно 30% рынка. Другими крупными поставщиками являются Toshiba и Western Digital.

Награда за достижения Flash Memory Summit

Каждый год Flash Memory Summit награждает людей, проявивших лидерство в области продвижения разработки и использования флэш-памяти, а также связанных с ней технологий, вручая Премию за прижизненные достижения (Lifetime Achievement Award, LAA). Среди не упомянутых выше номинантов были Кинам Ким из Samsung, получивший премию за свой прогресс в развитии 3D NAND, а также Дов Моран и Арьех Мерги из M-Systems за инновации, в том числе за встраиваемую в мобильные телефоны флэш-память, файловые системы для Flash и флэш-накопитель USB.

Ссылки на транскрипты интервью

Интервью с Довом Фроманом, №0341, Science History Institute

Интервью с Довом Фроманом, каталог 102702214, Computer History Museum Collection

Интервью с Эли Харари, каталог 102745933, Computer History Museum Collection

Интервью с разработчиками Flash Intel, каталог 102658199 Computer History Museum Collection

Интервью с Санджаем Мехротра, каталог 102740455, Computer History Museum Collection

Интервью с Фудзио Масуока, каталог 102746703 Computer History Museum Collection

Интервью с Джорджем Перлегосом, каталог 102746703 Computer History Museum Collection

Личный рассказ Эда Сэка, каталог 500001027 Computer History Museum Collection

Интервью с Чарльзом Си, каталог 102746598 Computer History Museum Collection

Интервью с Саймоном Зи, каталог 102746858 Computer History Museum Collection

---

На правах рекламы

Наши эпичные серверы используют only NVMe сетевое хранилище с тройной репликацией данных. Вы можете использовать сервер для любых задач — разработки, размещения сайтов, использования под VPN и даже получить удалённую машину на Windows! Идей может быть много и любую из них поможем воплотить в реальность!