芯片存储器的发展历程与未来展望：从原始时代到辉煌岁月
摘要：存储器走过了穿孔纸带与纸卡、磁鼓与磁芯、磁带机与磁盘机的原始时代；走过了硬盘、软盘、光盘体积越来越小的商用时代；走过了现代软盘、硬盘、光盘广泛应用的黄金时代。集成电路（芯片）存储器伴随其他类型存储器诞生，并不断发展、超越，在本世纪迎来了统一世界的辉煌时代。芯片存储器在其发展过程中，先是取代了早期的原始存储器，随后又以U盘等移动存储器取代了软盘和部分光盘，目前正以固态硬盘逐渐蚕食硬盘的领地。随着技术的进步，越来越多的芯片存储器被搭载在电脑等设备中，满足了人们日益增长的存储消费需求，芯片成为支撑信息社会的重要基石。
本文讨论的存储器特指与计算机、数码产品、智能终端和数码设备相关的存储器，与音像电子产品相关的存储器不作讨论。按照存储介质和时间段，存储器大致可以分为纸介质时代（1840-1930年，约90年）、磁介质时代（1930-2010年，约80年）、光学介质时代（1980-今天，约40年）和芯片介质时代（1970-今天，约50年及更长）。按照存储器在计算机中的位置，分为内部存储器（简称：内存）和外部存储器（简称：外部存储器）。存储器主要包括静态随机存储器（SRAM）、动态随机存储器（DRAM）和可编程只读存储器（PROM）。外部存储器主要包括磁带、光盘、硬盘（HD）和软盘（FD）。 闪存（简称闪存，Flash）是一种新型的片上存储器，既可以作为内存，又可以作为外部存储器。
目前，DRAM和Flash是电脑、数码产品、智能终端的主要存储器，U盘、存储卡、固态硬盘（SSD）等都完全依赖Flash。在外部存储中，磁带机早已被光盘、硬盘取代；软盘已被以U盘为代表的移动存储所淘汰；近年来，硬盘也逐渐被固态硬盘取代；光盘只在一些数据备份的场合使用。
DRAM、Flash、光盘是目前三大存储设备，以DRAM、Flash为代表的片上存储器是现在和未来的存储器之王。
图1.数据存储的分类
1. 原始记忆
原始存储器主要有穿孔纸带与穿孔纸卡、磁鼓存储器与磁芯存储器、磁带驱动器与磁盘驱动器，下面简单介绍。此外还有威廉管（1946年）、水银延迟线（1947年）、计数电子管（1953年）等，由于价格昂贵、不常见、或寿命短暂，本文不再介绍。
1. 穿孔纸带和穿孔纸卡
1846年，发明传真机和电报的美国物理学家亚历山大·贝恩首次使用了穿孔纸带。穿孔纸带早期作为数控装置的控制介质，后来作为计算机指令和数据输入的载体，所以又叫指令带。纸带上一排排的孔，有孔与无孔，代表二进制的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，我读大学三年级，学的是FORTRAN语言，在一次计算机实习课上，我用这种纸带输入了我写的一小段程序）。
图 2. 计算机操作员检查穿孔纸带。纸带的数据容量：3937 个字符/10 米
1888 年，美国统计学家赫尔曼·霍尔瑞斯 (Herman Hollerith) 研制出打孔制表机，通过在纸卡上打孔来记录统计数据。与此同时，霍尔瑞斯发明了自动制表机，在 1890 年以后的每一次美国人口普查中都使用这种制表机，取得了巨大的成功。直到 1930 年代，IBM 每年仍能卖出数千万张打孔纸卡。与纸带类似，纸卡上一排排孔，有孔或无孔，代表二进制的 1 或 0。因此，一张纸卡可以存储一组数据，而美国人口普查的大量数据必须存储在大量打孔纸卡上。
图3. 打孔卡打孔员、输入员和统计员。纸卡数据容量：100 个字符/卡
2. 磁鼓和磁芯存储器
1932 年，IBM 的奥地利工程师 Gustav Tauschek 发明了第一种广泛使用的计算机内存，称为“磁鼓内存”。直到 1953 年，磁鼓仍然是大型计算机的主要存储方式。例如，IBM 701 计算机使用磁鼓作为内部内存。磁鼓长 16 英寸，有 40 个磁道，每分钟可旋转 12,500 次，只能存储 10KB 的数据。
图4. 磁鼓存储器通常用作计算机存储器。磁鼓存储容量：10KB
1949年，哈佛大学实验室的王安博士发明了磁芯存储器。磁芯存储器一直使用到20世纪70年代，才被英特尔公司的片式存储器所取代。磁芯存储器一般作为计算机的内部存储器，可以是平面的磁芯阵列，也可以是由多片叠在一起构成立体的磁芯阵列。（1983年我在苏州计算机厂做毕业实习时，练习过穿磁芯、测试磁芯存储器，当时我用收音机靠近被测的磁芯存储器，通过听有规律的“叮咚”声来判断磁芯存储器是否合格，当时觉得很神奇，现在看来太原始了）。
图5. 磁芯存储器及其发明者王安博士。（左）磁芯存储器阵列，（中）磁芯存储器板。
3. 磁带和磁盘驱动器
20世纪50年代初，磁带记录技术开始应用于计算机领域，出现了数据存储磁带机，本文简称磁带存储。磁带机存储容量大，但只能顺序存取，查找速度慢，在计算机系统中作为备份存储设备，以便在硬盘出现故障时可以恢复系统和数据。（20世纪80、90年代，国内重要科研院所的计算机中心也使用柜式磁带机作为计算机的外部存储和备份设备）。
图 6. 20 世纪 50 年代至 70 年代用作备份存储的磁带驱动器。记录密度：800、1600、6250 BPI。
磁盘驱动器（简称硬盘）也用作计算机系统的外部存储器，但可以随机访问，搜索速度快，是磁带驱动器的替代品。1956年9月13日，IBM发布了IBM 305 RAMAC硬盘。当时的新闻报道称，这款笨重的硬盘在存储容量上发生了革命性的变化，可以存储“高达”4.4MB容量的“海量”数据，这些数据要存放在50块24英寸硬盘上。（现在看来，当时宣传的“海量”有些夸张，当时只是三张1.44MB软盘的容量）。
图7、需要托运重达数吨的IBM 305 RAMAC硬盘，总存储容量：4.4MB。
2.现代磁盘（硬盘和软盘）
从上世纪50年代到本世纪，硬盘作为计算机的主要外部存储器已有70多年的历史。随着材料、控制和磁头技术的进步，硬盘的体积不断缩小，容量、速度和可靠性都有了很大的提高。1980年6月，希捷公司推出ST-506 5MB 5.25英寸中型硬盘，标志着硬盘进入民用时代。1983年，第一块3.5英寸小硬盘出现，但容量还在MB级。1988年，第一块2.5英寸微硬盘出现。1991年，IBM利用磁阻（MR）技术推出第一块3.5英寸1GB硬盘IBM 0663-E12，开创了民用GB级容量硬盘的先河。从此，硬盘容量开始向GB级迈进。 1997年，IBM推出巨磁电阻（GMR）磁头技术，这是划时代的创新。MR磁头可以达到3至5Gb/inch²的存储密度，而GMR磁头可以达到10至40Gb/inch²，磁盘容量提升高达8倍。随后，3.5英寸硬盘成为现代计算机硬盘的标准规格，2.5英寸硬盘成为笔记本电脑的标准配置。
如今，笔记本电脑硬盘和外置移动硬盘的尺寸大多为2.5英寸或1.8英寸，容量最高可达2TB（2048GB），相当于435张DVD光盘的容量。
图 8. 硬盘尺寸不断缩小，但容量却迅速增加
1967年，IBM推出全球第一张32英寸软盘。1971年，美国人阿兰·舒加特推出8英寸软盘。1976年，他开发出5.25英寸软盘供早期IBM PC使用，容量为700MB。后来他离开IBM，创立希捷公司，被尊为磁盘之父。1979年，索尼推出3.5英寸双面软盘。目前流行的软盘主要有5.25英寸和3.5英寸，容量从360KB、720KB到最高的1.44MB不等。1980年至2000年的20年间，后两种软盘成为PC的主要外部移动存储。
图 9. 三种尺寸的软盘
在计算机技术领域，内存容量的单位有b(bit)、B(Byte)、MB、GB、TB。它们的换算关系为：1B=8b、1KB=1024B、1MB=1024KB、1GB=1024MB、1TB=1024GB。（实际生活中，1024的换算关系可以简化为1000的换算关系，即1KB=1000B，以此类推，误差并不重要）。
从下图可以看出，60年来，硬盘的体积不断缩小，但存储容量却迅速增加，分三个阶段从MB级、GB级、TB级跃升。第一阶段（1956-1991年，35年）：硬盘容量以MB级增长；第二阶段（1991-2007年，16年）：硬盘容量以GB级增长；第三阶段（2007年以后）：硬盘容量突破1TB，以TB级增长。目前，市场上已有10TB容量的硬盘。
图10、硬盘容量三阶段增加示意图（来源：公开资料整理）
3. 光盘存储
1985年，飞利浦和索尼公司出版了《光盘记录计算机数据黄皮书》，此后光盘在计算机领域得到广泛应用。光盘存储具有存储密度高、容量大、随机存取、保存期限长、运行稳定可靠、轻便易携带等一系列其它记录介质无法比拟的优点，特别适合于大量信息的存储和交换，可以同时存储声音、文字、图形、图像等多种媒体信息。光盘给信息的存储、传输、管理和使用方式带来了根本性的变革。随着光盘技术的进步，各种标准和新型光盘不断涌现，如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-R、DVD-RAM、DVD-RW、DVD+RW等，容量从最初的700MB上升到4.7GB。
图 11.CD、DVD 和光驱。
4.集成电路（芯片）存储器
本文所指的集成电路存储器为片式存储器。1966年，IBM研究员Robert H. Dennard博士发明了晶体管动态随机存储器（DRAM），并于1968年获得专利。1970年10月，Intel推出第一颗DRAM芯片C1103，容量只有1Kbit，售价10美元，标志着DRAM存储器时代的到来。Intel从C1103赚到了第一桶金，随后发了大财，凭借DRAM占领了市场。到1974年，Intel DRAM销售额已占全球82.9%的市场份额。后来，以DRAM为代表的片式存储器也成为磁鼓、磁芯等原始存储器的终结者。
图 12. 美国 Prime 公司电脑主板上的批量 C1103 芯片（1972 年）。1Kb C1103 售价 10 美元，1KB 售价 80 美元，1MB 内存售价超过 80,000 美元？昂贵，真的很昂贵！
近50年来，随着计算机、智能设备在各行业的广泛应用，片式存储器不断细分创新，发展出各种类型的片式存储器以满足不同的应用需求，其中应用最为广泛的有以下几种。
1.可编程只读存储器（PROM）：这是一种只能写入一次，之后只能读取数据的存储器，也称为一次性可编程只读存储器（OTP ROM）。它是一种非易失性内部存储器，一般用于存储固定的程序和数据。
2、动态随机存取存储器（DRAM）：这是一种随机存取存储器，通电后依靠不断的动态刷新来保存数据，断电后数据就会丢失。又叫易失性存储器。一般用作计算机内存，每次开机都需要把程序和数据从PROM重新加载到这个DRAM内存中，这个过程叫上电加载。双倍数据速率（DDR）DRAM、同步动态随机存取存储器（SDRAM）、内存总线动态随机存取存储器（RDRAM）等都是DRAM的细分，都属于易失性内部存储器。
3、静态随机存储器（SRAM）：这是一种随机存取存储器，通电后无需动态刷新即可保存数据，断电后数据就会丢失。计算机每次开机也需要通电加载，也是一种易失性内部存储器。
4、闪存（Flash Memory，简称Flash）：这是一种断电后仍能永久保存数据的存储器，既可以作为内部存储器，又可以作为外部存储器，属于非挥发性存储器，无需电源供电也能长时间保留数据，存储特性相当于硬盘。因此，Flash可以作为U盘、存储卡、固态硬盘等使用。
图13. 几种主要的芯片存储器
（PROM、DRAM、SRAM 和闪存）
5.芯片实现的移动存储器
20世纪60年代，软盘、光盘的出现，满足了数据传输、存储和备份的需求，后来成为移动存储的主力军并得到广泛应用。但进入新世纪后，由于计算机速度的大幅提升，以及向外传输的数据量的不断增加，人们对外部存储的访问速度提出了新的要求，软盘、光盘等老式的移动存储已经不能满足这一要求。
本世纪初，芯片存储器价格下降、容量快速提升，U盘、各类微型存储卡应运而生，很好地满足了人们对大容量、快速访问的移动存储的需求。随后，软盘首先被淘汰，光盘也被部分替代。而随着芯片固态硬盘的快速发展，大有逐步取代硬盘、光盘的趋势。移动存储的这些变化大家应该都经历过、见证过，本文就不多做赘述了。
新型移动内存的兴起和旧式移动内存的消亡，直接驱动力是芯片内存的发展。早期的DRAM产业给领先国家带来了丰厚的利润，从而引发了众多国家之间的激烈竞争。也可以看作是一场争夺DRAM主导权的芯片内存战争。
图14.利用芯片内存实现的各种U盘、存储卡、固态硬盘。
6.芯片内存之战
DRAM是目前市场容量最大的芯片存储器，广泛应用的50年间，创造了数万亿美元的产值。美国、日本、德国、韩国、中国台湾等国家上演了数千亿美元的芯片存储器战争，各方投入巨额资金，情节曲折，竞争激烈。下面简单介绍一下过程，详情可参考资料2、4。
第一回合（日本挑战美国）：1970年，英特尔通过量产DRAM取得了巨大成功，赚取了巨额利润，彻底淘汰了磁芯存储器。1976年日本厂商进攻DRAM市场后，凭借优质、低价、规模化生产，险些击垮英特尔。（英特尔放弃内存转向CPU后，找到了新的赚钱方式，才得以起死回生）。1982年，日本成为全球最大的DRAM生产国。
第二轮（美国扶持韩国对抗日本）：1985年，美国发动经济战，并签署日美半导体协议，美国扶持韩国厂商进入DRAM产业，并提供设备和技术支持，把日本厂商逼到了生死边缘。1996年，三星电子DRAM芯片出口额达62亿美元，位居全球第一。1997年的亚洲金融危机，险些让韩国厂商丧命。后来，美国掌控韩国经济后，韩国厂商借助DRAM市场的巨额利润，再次崛起。
第三轮（韩美独霸全球）：1994年台湾人大举进军DRAM市场，投入500亿美元却血本无归。2007年全球经济危机击垮德国厂商，更将台湾DRAM厂商打得落花流水。目前，英飞凌（奇梦达）和尔必达已不复存在，三星、SK海力士、美光占据全球约96%的市场份额，占据市场主导地位。
在使用量持续攀升的Flash市场，各国芯片存储器厂商之间展开了激烈竞争，目前的结果是三星、铠侠、西部数据、美光、SK海力士、英特尔占据了全球约99%的市场份额。
中国争自主可控：中国是芯片和内存消费大国，抛开经济利益不谈，从自主可控的角度看，中国不能总是依赖进口芯片。2017年，中国大陆厂商蜂拥而至，准备投入660亿美元抢攻DRAM市场，希望突破国外技术壁垒，迎来中国芯片自主可控的春天。
7. 芯片存储器的新面貌
芯片存储器自投入商用以来，凭借着体积小、稳定可靠、存储密度高、访问速度快、适用范围广等优势，不断取代传统存储器。在计算机存储器方面，芯片存储器首先取代了磁鼓和磁芯存储器。在计算机外存储器方面，芯片存储器首先用U盘、各种存储卡取代了软盘，现在又正在用固态硬盘取代部分硬盘。目前，芯片存储器、硬盘、光盘是计算机存储器的三大主要类型，而芯片存储器则是移动终端中绝对的主力存储器。
下面就芯片存储器的几种典型应用进行通俗的介绍，让大家一窥全貌，了解当前芯片存储器“高、精、尖”技术的全貌。
1、手机内存越来越大，人们的需求也越来越大。如今一部智能手机128GB内存已经不算富裕了，256GB还是可以接受的。因为白领们手上需要工作，需要安装软件，存储公文，所以需要更大的内存。普通市民也需要安装各种APP，拍的美照舍不得删，所以也需要更大的内存。只要价格可以接受，内存越大越好。内存大小256GB意味着什么？相当于54张DVD光盘的数据容量。如果还想增加怎么办？那就看下图手机主板上那些拥挤堆叠的芯片，空间已经占满了。扩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，这得靠芯片技术的进步来支撑！
图15、华为Mate 20 X (5G)手机（8G内存+256闪存）
2、轻巧便携、快速访问固态硬盘。2020年2月，江波龙旗下Lexar推出SL100pro移动固态硬盘，尺寸仅为73mm×55mm，重量仅为70g，存储容量可达1TB（1024GB），访问速度可达950MB/s。如此小巧的固态硬盘存储容量相当于200多张DVD光盘的数据容量，读写速度远超传统硬盘。
图 16. Lexar SL100 pro 固态硬盘
3、体积小、容量大的存储卡。下图中的SD卡是松下、东芝和SanDisk在1999年推出的标准存储卡。2003年，SanDisk推出了体积更小的Mini SD卡，不久后又与摩托罗拉联手推出了体积更小的TF卡。2005年，TF卡被纳入SD协会的行业标准，并改名为Micro SD卡。在随后的十几年里，Micro SD一直是数码产品的宠儿，虽然外形没有太大变化，但随着Flash技术的进步，其存储容量也不断提升。
2018年10月，华为发布Nano Memory Card（又称NM卡），并宣布Mate 20系列手机全面支持NM卡。这结束了手机存储卡13年不变容貌的历史。NM卡比目前流行的MicroSD卡体积小45%，是世界上最小的手机存储卡。
江波龙旗下Lexar推出的nCARD卡，大小、使用方式与NM卡一致，是取得华为NM卡相关专利后推出的新品，目前MicroSD卡、NM卡、nCARD存储容量均能达到512GB，相当于100多张DVD光盘的数据容量。
图 17. 存储卡越来越小，但存储容量却越来越大
4、DRAM和Flash在其中起到了很大的支撑作用。如果没有芯片存储器DRAM和Flash技术的进步，人们就无法享受如今的信息便利。比如，你无法使用如此轻巧小巧的智能手机，拍摄和保存高清照片，播放音乐和视频，在如此小巧的U盘或存储卡上存储相当于几十张（甚至几百张）CD的数据，包括音乐、视频、照片和文件。这是如何做到的呢？得益于芯片存储器的大规模集成和3D堆叠封装技术。
如今，不到1cm²的Flash die存储容量就能达到256Gb。按照NM卡的大小，只能装入1个die，如果要设计256GB的NM卡，至少需要8个die，die之间只能堆叠封装在一起，前提是die足够薄。2018年10月，华为和江波龙相继推出了NM卡和nCARD，均采用了3D堆叠封装技术，它们使用的256Gb Flash die厚度只有30μm，相当于头发丝的1/3。8个die堆叠在一起加上基板，总厚度不超过0.7mm。如果用刀切开NM卡，可以看到图18所示的剖面，Flash die堆叠放置在基板上，die之间以及die与基板之间都有连接。 基板底部有裸露的金手指，用于NM卡插入读卡器后与数字终端进行数据交换。
图18. NM卡3D堆叠封装示意图（8个Flash die堆叠）
5、芯片内存支撑个人存储消费。在PC出现之前，存储消费以工业消费为主，进入PC时代后，民用存储消费快速增长。移动互联网时代，个人消费成为存储消费主力军。未来在个人影音娱乐、照片、视频、个人数据存储等方面，芯片内存的个人消费将持续增长。5G应用将进一步引发信息爆炸，芯片内存的消费将大幅增长。
下表以笔者为例，测算了一位办公室白领的个人存储消费情况，据此按照中国乃至全球的白领数量，可以粗略估算出硬盘、DRAM、Flash芯片存储的市场容量。
图 19. 典型的办公室工作人员的内存消耗
8. 芯片内存容量及价格趋势
20世纪，芯片存储器技术突飞猛进，需求大幅增长，Flash芯片出货量近5年增长超过40%。但市场规模却增长不多，在10%以下的增速上下波动。这说明芯片存储器的容量和应用领域扩大了，但单位存储器价格却震荡下行，导致市场规模变化不大。单位存储器价格的下降是推动人们应用需求扩大的重要因素。
图20.闪存芯片出货量及芯片存储器市场规模变化（来源：中国闪存市场CFM）
由芯片存储器赋能的固态硬盘全球出货量连年快速增长，2020年固态硬盘在PC市场的占比将达到70%，芯片存储器逐步取代硬盘的趋势明显。
图21. 全球SSD出货量及消费级SSD在PC市场的占比（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社会的重要支撑，中国需要奋起直追，努力弥补芯片存储器的短板，这是一场只可赢不可输的战役。2015年7月，紫光集团向全球第三大DRAM制造商美光科技发出高达230亿美元的收购要约，美光科技因害怕美国政府阻挠而拒绝了这笔交易。中国不能依赖收购，只能靠自己。
2016年，紫光集团宣布投资240亿美元在武汉建设国家级存储器基地，占地面积超过1平方公里，计划2018年基地一期建成，月产能20万片，预计2020年建成月产能30万片，年产值超过100亿美元。2017年1月，紫光集团宣布投资300亿美元在江苏南京建设半导体存储器基地，一期投资100亿美元，月产能10万片，主要生产3D Flash和DRAM存储器芯片。
2019年9月，长江存储开始量产基于Xtacking™架构的64层256GbTLC 3D Flash，是目前国内唯一一家成功量产并导入客户的存储厂商。2020年将逐步提升产能，将Xtacking2.0导入第三代128层3D Flash。当前及未来的核心任务是推动产能爬坡，尽快实现64层3D Flash产品月产能10万片，并按计划建成月产能30万片的产能。
2016年，合肥长鑫投资494亿建设DRAM生产工厂，技术来自奇梦达，拥有6.5万平米无尘车间的晶圆厂，计划2018年建成月产能12.5万片。2019年9月，长鑫存储第一代10nm 8Gb DDR4亮相，实现中国DRAM技术的突破。
结语：上世纪八十年代，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，如果能少用几个字节的内存，完成同样的程序任务，就会很有成就感。而今天，PC内存和硬盘容量大约是当时的5万倍，程序员根本不关心内存用了多少，仿佛取之不尽，用之不竭。这完全得益于芯片内存的飞速发展。内存从纸质、磁性、光学介质发展到芯片介质，从原始到现代，越来越小、越来越强、越来越便宜。这些进步完全有赖于芯片技术按照“摩尔定律”不断发展。芯片内存不断满足人们对信息存储的需求，推动人类社会进入信息化、智能化社会。芯片当之无愧地成为信息社会的基石。
参考：
1. u011349664，那些年的计算机存储—storagedevice，IT610网站：，2013.9.19
2. 超级项目榜单，DRAM芯片战争-1970-2017，千亿美元的生死战，新浪博客：，2017.7.20
3、Frs、无印良品，60年发展史仅用6年就被颠覆！它的名字叫机械硬盘，PConline：，2017.7.20
4.查看超级项目：DRAM CHIP WAR，一场跨越40年的死亡斗争，微信公共帐户[半导体行业观察]，2017.8.20
5.更多令人兴奋的积分，纳米存储卡诞生了！
6.深圳Flash Market Information Co.，Ltd.，2019年Flash Market Analysis Report，2020年2月15日
7.原始网站，华为在其手机中使用了多少美国芯片？
8. Longsys，Longsys和5antze Memory Technologies共同发布世界上最小的存储卡，Wechat官方帐户[Longsys]，2020.4.20
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