不揮発性メモリ業界のパイオニア

Intel / Micron NANDフラッシュチップ



非揮発性メモリ（NVM）デバイスは、電源障害後も情報を保存し続ける電子読み取りおよび書き込みストレージデバイスです。これらには、磁気ディスクおよび特定のタイプの半導体チップに基づくデバイスが含まれます。半導体不揮発性デバイスは、クラウド内の巨大なデータバンクのストレージセルからポータブルパーソナルデバイスまで、デジタルユニバースのあらゆる側面で重要な役割を果たし、4,000億ドルの半導体業界で最大のセグメントの1つを構成しています。



トランジスタからマイクロプロセッサまで、他の重要な半導体製品と同様に、NVMデバイスは、前任者の仕事を引き受け、インスピレーション、運、試行錯誤、そして懐疑論者の疑いを無視する決意を通じて開発した初期の探検家の仕事から大きく進歩しました。この記事では、フェアチャイルドでの1960年のアイデアの初期から、20世紀の最後の10年間のフラッシュチップの大規模生産まで、これらのパイオニアの一部とその貢献を時系列で共有します。



Semiconductor Special Interest Group（SIG）を代表して、Jeff Katzは、Oral HistoryCollection用の商用NVM半導体デバイスの開発への貢献者へのインタビューを記録しました。コンピュータ歴史博物館。以下に引用されている個人的なコメントの多くは、テキスト内のリンクからアクセスできるインタビューの記録から取られています。

半導体不揮発性メモリの前

半導体デバイスが登場する前は、不揮発性コンピュータストレージで最も成功した技術は、磁気ヒステリシスの効果を利用した磁気コアメモリでした。彼の論文で1952年のMITPh.D。Dudley Buckは、同様のヒステリシスメカニズムを使用してデジタル情報を保存および磁化する強誘電体結晶について説明しました。 Bell TelephoneLaboratoriesのReidAndersonとWalterMerzは、1955年に、半導体NVMアーキテクチャの前身である強磁性ストレージデバイスを実証しました。彼らは、堆積およびエッチング技術を使用して、金属経路で接続された256ビットの結晶アレイを製造しました。その後、そのような技術は半導体集積回路の製造に適用され始めました。





Scientific American誌、1955年6月の写真。



コロラドスプリングスを拠点とするRamtronの創設者であるLarryMcMillanとGeorgeRohrは、1952年に最初に導入されたFerroelectric Random Access Memory（FRAM）デバイスの商品化を開拓しました。

NVMセルテクノロジーの進化-最初の40年

1960年代に、半導体NVMセルを設計するための2つの主要な技術に関する研究が始まりました。 「フローティングゲート」セルでは、電荷は外部回路に接続されていない電極に保存されます。 「チャージトラッピング」は、ほとんどの場合「ナイトライドトラッピング」と呼ばれ、アクティブな回路に接続された窒化シリコンの層に電荷を蓄積することができます。どちらのテクノロジーも、さまざまなアプリケーションで大きなメリットと製造コストの削減、使いやすさ、データ保持を約束しました。



両方の技術を使用する商用コンポーネントとシステムは、1970年代に登場し始めました。チャージキャプチャに基づく製品は、ほとんどの場合EAROM（Electrically Erasable Read Only Memory）と呼ばれ、最初のフローティングゲートデバイスはEPROM（Erasable Programmable ROM）と呼ばれていました。



1980年代までに、フローティングシャッターメモリは市場で支配的な技術になりました。最初のフラッシュ製品を含むEPROMとその機能強化は、世界の半導体業界の利益のかなりの割合になっています。1990年代に、FlashテクノロジーはNVMデバイスに新しい機会を提供し、ソリッドステートドライブやコンシューマーデジタルデバイスで使用されるようになりました。

1960年代-メモリ要素のパイオニア

Sa Zhitan、1989年頃



パロアルトのフェアチャイルド研究所のSa Zhitanは、1961年に、表面制御四極管MOSFET¹のゲート電極に電荷を「長期間（数日）」保存できると報告しました。彼は、フェアチャイルドの創設者であるビクター・グリーニッチとエンジニアのフランク・ワンレスとの会話の中で、「フローティングシャッターメモリデバイスでのこの発見の可能性をすぐに理解した」と述べました。同社はMOSFETプロセスの基本的な安定性の問題に取り組んでいたため、製品のアイデアを思いつきませんでした。



電荷捕捉メモリセルの最も初期の文書化された記述は、1960年代半ばに米国の両海岸の研究所で作成されました。 Westinghouse Central ResearchLaboratoryのEdgarSack、Chu Tinhなどは、1966年に電荷トラップ要素³として金属-窒化物-酸化物-シリコン（MNOS）構造を使用しました。 ChuとJohnScedonは、1967年にサンタバーバラで開催されたSolid State Device Research Conferenceで、WestinghouseMNOS要素について話しました。この技術は、ヤングウッドにある同社の半導体部門に移管され、機械式ヒューズに代わる電子砲弾ヒューズを開発しました。





1959年頃のヤングウッドのウェスティングハウス半導体部門のクリーンエリア。写真提供：E。Sack



同じ1967年、スペリーランドリサーチセンター（マサチューセッツ州サドベリー）のリチャードウェゲナーが率いる6人の科学者が、電荷捕捉機能を備えた電気的にプログラム可能な破壊不可能なMNOSストレージデバイスについて説明しました。 1968年のNASAレポート「適応デバイスの新しい概念の研究」で、Wegenerは、MNOSは「電気的にプログラム可能な不揮発性ストレージ機能を提供する最初の半導体デバイス」であると述べました。



Dov Frohman-Benczkowskiは、1965年にパロアルトのフェアチャイルド研究所に加わりました。同時に、カリフォルニア大学バークレー校で「MNOS構造の電荷転送とキャプチャ、およびメモリデバイスでのそれらのアプリケーション」に関する博士号を執筆し、「ほとんどの教授よりもこのトピックについて詳しく知っていました」。 [ DovFrohmanへのインタビュー]。彼の仕事に基づいて、彼は会社を辞めた後に登録された特許申請プロセスを開始しました。この特許出願には、大規模な統合ストレージアレイの機能を実証するために彼が作成した9ビットMNOSワードバイワードメモリを作成するためのマスク構造が含まれていました。





DawonKangとSimonZee



1967年にベルテレフォンラボラトリーズ（BTL）でランチタイムに4層のチーズケーキを研究しているときに、Murray Hill、Dawon Kang、Simon Zeeは、MOSFETに電荷を保存するために4番目のフローティング層を追加するというアイデアを思いつきました。コンセプトの実行可能性を証明するために、彼らは実験室で数十のデバイスを作りました。 「デバイスは最大1時間持続し、その後電子が漏れ始めました」[ SimonZeeへのインタビュー]..。「私の上司はそれが完全に役に立たないと言いました...誰がそのような装置から利益を得るでしょうか？」とZeeは言います。彼らは、1967年7月の論文「フローティングシャッターとそのメモリデバイスへの応用」でベルシステムテクニカルジャーナルに作品を発表することを許可されましたが、BTLはそのアイデアを追求しませんでした。「彼らはただそれを棚に置いただけです。」





アモルファス半導体上の256ビットRMMECD / Intel、1970



年数多くの発明と起業家のStanford Ovshinskyが科学界に大きな影響を与え、1968年にニューヨークタイムズで発表されました。Ovshinskyの要素に基づいてメモリを備えたスイッチを作成することについて。ミシガン州トロイにある彼のエネルギー変換デバイス（ECD）研究所で開発されたこのデバイスは、非結晶性カルコゲナイド材料を使用して、印加電圧が特定の値に達したときにオンまたはオフになるスイッチを作成しました。 Ovshinsky氏は、トランジスタを使用した場合よりも、より小さく、より速く、より単純で、より信頼性が高く、より安価な電子回路を製造できると述べました。 ECDでスイッチに取り組んだマスターの学生CharlesXiは、このテクノロジーの主な利点は「情報を永久に保存できる（データ保持時間なし）」と述べました。 [チャールズCへのインタビュー]



その少し前に、Intelの創設者であるRobertNoyceとGordonMooreは、Ovshinskyと協力して、バイポーラとMOSFETに基づく将来のRAMを補完する不揮発性メモリを作成する技術を研究しました。ECDのGordonMoore、Ron Neil、およびD. Nelsonによる1970年の記事では、2つのモリブデン電極の間に挟まれたアモルファス半導体材料のフィルムで構成される256ビットのRead Mostly Memory（RMM）について説明しています⁷。Intelはこの概念のデモンストレーションに限定し、それに基づいた製品を開発しませんでしたが、IntelとMicronが2015年に発表した3DXPoint位相変更メモリの基礎として復活しました。Intelは完成品をOptaneブランドで販売しました。

1970年代-産業用NVM製品の出現

Westinghouse BORAMマルチチップモジュール、1975年頃。



1970年代初頭、不揮発性MNOSメモリデバイスは、航空宇宙および防衛システムの設計者にとって魅力的な選択肢であることが証明されました。米空軍はスペリーランドに1,024ビットのEAROMアレイを構築する契約を結び、ウェスティングハウスは米軍やその他の顧客向けに電気的に再プログラム可能なブロック指向RAM（BORAM）ハイブリッドモジュールを設計しました。セラミック基板上に配置されたいくつかのチップは、軽量でコンパクトな航空機およびポータブルシステムを保証しました。



1969年にIntelに移り、DovFrohmanはMNOSストレージテクノロジーの研究を続けました。しかし、同社の新しいシリコンゲート製造プロセスでの電荷移動によって引き起こされる安定性の問題を調査しているときに、彼はフローティングゲート導体に電荷を保存するという代替案を思いつきました。 「これは、EPROMのバックボーンであるFAMOS（フローティングゲートアバランチインジェクションメタルオキシドセミコンダクター）デバイスと呼ばれるものの進化形でした。」 [ Dov Frohmanへのインタビュー]建築特許を申請する前、彼はBellLabsでのKangとZeeの仕事に精通していませんでした。





Dov Frohman-Benczkowski、1971年頃。写真：Intel Corporation



Frohmanは、フローティングゲート製品の設計に焦点を当てるためにMNOSドライブのさらなる作業を停止し、1971年にIntelは1702というラベルの付いた2048ビットEPROMを発表しました。EPROMは電子的にプログラムされましたが、消去と再キャスト使用は、ケース内のクォーツウィンドウを通してUV放射でチップを物理的に処理した後にのみ可能でした。高価な消去ウィンドウを必要としない安価なワンタイムプログラマブル（OTP）バージョンは、マイクロプロセッサベース（MPU）システムで人気があることが証明されています。数世代のより大きく、より高速なEPROMは、1980年代半ばまで、Intelの最も収益性の高い製品ラインを構成していました。





クォーツウィンドウは紫外線を透過してEPROMデータを消去します



日本の半導体メーカーはEPROMの商業的可能性をすぐに認識しました。集積回路のパイオニアである東京電気技術研究所の田井康夫らは、1971年に東京で開催されたソリッドステートデバイスカンファレンス⁸でフローティングゲートデバイスを提案しました。続いて、日本企業からの多くの研究記事や成功した商品が続きました。





GIのEAROMマニュアル、1983



年1969年、エドサックはウェスティングハウスを離れ、ニューヨーク州ヒックスビルにあるGeneral InstrumentCorporationに向かいました。彼はそこで、家電部門の副社長兼ゼネラルマネージャーを務め、家電製品におけるMNOS技術の商業化の先駆者となりました。ウェスティングハウス（「政治のダッシュを備えた紳士クラブ」）とGI（「ストリートファイティングのダッシュを備えたマンハッタンのローワーイーストサイド」）の彼の比較は、その時代の軍事および商業半導体企業間の重要な文化的違いを示しています。 [エドサックの個人的な話]



1975年、GIはER1400ビットシリアルEAROMを発表しました。これは、16ビットCP1600マイクロプロセッサ（Honeywellとの共同開発）によって補完されました。これらの製品は、デジタルのオールソリッドステートTVチューナーチップセットを対象としており、数百万ドルで販売されています。 GIは、数十年にわたって消費者向け製品向けの低コストEAROMデバイスを製造し続けました。



不揮発性MNOSメモリ技術を検討した他のメーカーには、マクドネルダグラス、三菱、NCR、およびRCAが含まれます。ただし、フローティングゲート製品の分野での激しい競争に起因するデバイス数の急増と価格の下落により、EPROMはほとんどのアプリケーションで好ましい不揮発性ソリューションになっています。



電気消去機能などの改良により、フローティングシャッター装置の位置がさらに強化されました。 Hughes Microelectronics（Newport Beach、CA）のEli Harariは、1976年に、「Frohman-Bentschkovskiデバイスのゲート酸化物層を1000オングストロームから100オングストロームに減らして電気プログラミングと消去を提供できるというアイデア」を思いつきました。紫外線によるゆっくりとした外部消去の必要性からの道。 [ EliHarariへのインタビュー] 1980年、ヒューズは3108というラベルの付いた8KBE電気的消去可能PROM（EEPROM）と、NOVRAMと呼ばれる不揮発性SRAMチップを発表しました。





George Perlegos



George Perlegosは、最初のEEPROMである1978年に作成された16K 2816デバイスを含む、Intelでのいくつかの重要なNVM開発に貢献しました。ゴードンキャンベルとフィルソールズベリーと共に、ペルレゴスは1981年にSEEQテクノロジーを設立しました。この会社では、Perlegosが1982年にリリースされた単一の5ボルトEEPROMである5213の開発を主導し、別個の高電圧電源の必要性を排除しようとしました。充電ポンプがその設計に組み込まれ、プログラミングをサポートするために必要な電圧を生成します。 「この種のメモリを作成するには、すべての列とすべての行に収まるようにチャージポンプを非常に小さく設計する必要がありました。」 [ジョージ・ペルレゴスへのインタビュー]高い信頼性を必要とするアプリケーションでのデバイスの使用を促進するために、SEEQは、少なくとも100万回の書き込みサイクルに耐えられるものとしてデバイスを宣伝しています。



元ナショナルセミコンダクタープロセスエンジニアのRaphaelKleinは、NOVRAMおよびEEPROMデバイスに焦点を当てるために、1978年にカリフォルニア州ミルピタスにXicorを設立しました。Xicorは初期の段階で、初期の市場の成長をSEEQと共有していましたが、大量の低コストデバイスの生産における競争に対処できず、2001年に作業を終了しました。

1980年代-フラッシュアーキテクチャの出現

1980年、川崎にある東芝R＆Dセンターの増岡藤夫氏は、浅野さん、岩橋さん、小室さん、田中さんの4人のエンジニアを雇い、低コストのマスデバイス用のNVMチップを開発しました。既存のEPROMは、メモリセルごとに2つのトランジスタを使用していました。エンジニアは、NORゲートと同様の方法で接続された、よりコンパクトなシングルトランジスタセルを設計しました。増木さんの同僚の有泉翔二さんは、カメラのフラッシュの速さで消す必要があったので、「フラッシュ」という名前を提案しました。増岡氏は、1984年にサンフランシスコで開催された国際電子機器会議（IEDM）でNORフラッシュセルについて話しました。彼はなんとかセルサイズを小さくすることができましたが、デバイスに必要な3層のポリペプチドを含むMOS構造の製造に問題があるため、東芝は本発明の商用バージョンを実装しなかった。



ハラリによると、スタートアップExel Microelectronics、IncのSatyenMukherjeeとThomasChanです。 （カリフォルニア州サンノゼ）工業的に製造できるフラッシュ構造を設計しました。これは、Intelが後にNORフラッシュと呼んだものの基礎となりました。





増岡藤夫



TIとの特許訴訟で会社を守るためにワシントンに到着した増岡は、NORフラッシュよりもさらに小さなセルサイズとより速い書き込み/消去速度を提供できるNANDフラッシュアーキテクチャのアイデアを思いつきました。増岡氏は帰国後、東芝の家電開発責任者である田尻久雄氏に、4メガビットのNANDフラッシュを搭載したデジタルカメラでフィルムに取って代わることができるかどうか尋ねた。 【増岡藤夫さんへのインタビュー】田尻は、NANDが確かにフィルムに取って代わることができることに気づき、カメラ部門がプロジェクトに資金を提供することになった。増岡は1987年にワシントンDCで開催されたIEDMでこのデバイスについて話し、16MビットNANDフラッシュチップの生産は1992年に始まりました。



東芝が自分の仕事に十分な報いを与えられなかったことに不満を抱いた増岡は、1994年に仕事を辞め、東北大学の教授になりました。同社の日本の忠誠心に反して、彼は元雇用主を補償のために訴え、2006年に87百万円（758,000ドル）の一時金で紛争を解決した。



Stefan Laiは、IntelのSanta Clara部門に加わり、スケーラブルなEEPROMテクノロジーを開発しました。彼はDickPashleyと協力して、既存の小さなEPROMセルに電気的消去機能を追加して、標準の製造プロセスを使用して製造できるNORフラッシュアーキテクチャを作成する方法を作成しました。 NVMはテクノロジーが機能しないと言ったので、ライとパシュリーはゴードン・ムーアに会いました。ゴードン・ムーアは「私はそれをやり遂げます、大騒ぎしないでください」と言いました。 [ IntelFlashへのインタビュー] Folsom、Californiaで新しいFlashベースのビジネスデバイスの開発を開始した後、PashleyとLaiは、デザイナーのNiles Kynettとともに、1986年に動作チップを実証し、1987年に256キロビットのNORFlash製品をリリースしました。 ..。



1980年代後半までに、すべての製造技術の半導体NVMデバイスの世界市場は20億ドルを超えました。その時代の最も人気のある製品は64Kbps、128Kbps、256Kbps、1Mbps EPROMであり、最初の2Mbpsデバイスが登場し始めました。AMD、Intel、Motorola、SEEQ、TIが主導する米国のメーカーは、世界市場の利益の約50％を受け取りました。残りの利益は、ヨーロッパを中心としたSGS-Thompson（10％）と日本のサプライヤーである富士通、日立、三菱、NEC、沖、東芝（40％）に分配されましたが、供給は政府の生産枠（MITI）によって制限されていました。

1990年代-ソリッドステートドライブと新しいコンシューマーアプリケーション

1990年代、フラッシュテクノロジーは、NAND構成とNOR構成の両方でNVMデバイスに新しい可能性を生み出しました。NOR Flashアーキテクチャには、ランダムアクセスと高速読み取り時間という利点があり、そのインプレース実行（XIP）機能は、コードの実行、つまりデータ処理に理想的でした。NANDフラッシュの読み取り速度は遅くなりましたが、セルサイズがはるかに小さいため、外部ストレージに最適な低コストで高密度のデバイスが可能になりました。さらに、NANDブロックへの読み取り/書き込みアクセスは、ディスクドライブへのアクセスをシミュレートしました。





IBM用のSanDisk（以前のSunDisk）SSDプロトタイプ（1991）



1970年代にヒューズ航空機で薄い酸化物プロセスを開拓したEliHarariは、大容量のフラッシュメモリデバイスを開発するために1988年にSunDisk（後にSanDiskと改名）を設立しました。彼はすぐに共同創設者のJackYuanとSanjayMehrotra、そしてシステムアーキテクトのRobert "Bob" Normanが加わりました。同社の最初の主要な注文は、1991年にIBMのThinkPadPCの20メガバイトのConnorハードドライブに代わる10,000個のプラグアンドプレイ20MB2.5インチATAデバイスでした。当時、フラッシュメモリの信頼性は低かったのですが、原理はプロトタイプデバイスに関する顧客からのフィードバックに勇気づけられました。 【エリ・ハラリへのインタビュー]



商用アプリケーションに必要なレベルの信頼性を実現するには、フラッシュメモリシステムの製造プロセスとアーキテクチャを数世代にわたって改善する必要があります。 Harariは、ファームウェアがエラー修正を実行できるようにするデバイスにメタデータを埋め込み、信頼性の問題をユーザーから隠しました。これは、テクノロジーの人気にとって重要です。 SSDを搭載した主流のラップトップは2000年代後半に市場に出回り、最新のSSDはコンピューターストレージ市場で最も急速に成長しているセグメントです。





SanDiskの創設者：Yuan、Mehrotra、Harari



SanDiskの新しい機会は、同社が1994年にデジタルカメラ用のCompactFlashカードを発表した後に生まれました。 「他の誰かがフィルムやカメラの売り手を売る代わりに、フラッシュカードの流通市場を作る必要があることに気づきました。その国際的なブランドへの転換は、会社の歴史のターニングポイントでした」とMehrotraは言います。 【SanjayMehrotraへのインタビュー】2016年、SanDiskはWesternDigitalに買収されました。



最新のフラッシュテクノロジーは、2019年にNVMデバイスの500億ドルを超える市場を支配し、世界の半導体業界で最大のセグメントです。サムスンは、市場の約30％を占めるフラッシュチップの最大のサプライヤーになりました。他の主要なサプライヤーは東芝とWesternDigitalです。

フラッシュメモリーサミットアチーブメントアワード

毎年、フラッシュメモリサミットは、ライフタイムアチーブメントアワード（LAA）で、フラッシュメモリおよび関連テクノロジーの開発、使用を推進する上でリーダーシップを発揮した個人を称えます。上記以外の候補者には、3DNAND開発の進歩で賞を受賞したSamsungのKinamKimや、携帯電話の組み込みフラッシュメモリ、フラッシュおよびUSBフラッシュドライブ。

インタビュー記録へのリンク

, №0341, Science History Institute



, 102702214, Computer History Museum Collection



, 102745933, Computer History Museum Collection



Flash Intel, 102658199 Computer History Museum Collection



, 102740455, Computer History Museum Collection



, 102746703 Computer History Museum Collection



, 102746703 Computer History Museum Collection



, 500001027 Computer History Museum Collection



Charles C.へのインタビュー、カタログ102746598 Computer History Museum Collection



Simon Zeeへのインタビュー、カタログ102746858 Computer History Museum Collection

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