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计算机和手机中有短期和长期两种记忆体，前者如内存（简称DRAM），用于临时存储信息，关机后即消失；后者如闪存（简称FLASH），可长期存储信息，不受断电的影响。
进入20世纪，人类通过磁留下痕迹——磁带、磁条（银行卡）、磁盘（软盘）和机械硬盘（巨磁阻效应）。磁存储稳定耐久、成本低廉，在相当长的时间里是使用范围最广泛的存储方式。
在电子计算机刚刚问世的年代，人们发明了一种磁芯存储器。它结构简单，由纵横线和斜线交叉的导线组成，在交叉处有一颗磁芯，在脉冲的控制下可存储0或1。
到了20世纪60年代，磁芯存储器的成本从每比特一美元降到了每比特一美分，牢牢地占据了计算机存储市场。
磁芯存储器阵列示意图及实物
年出生于上海的华人王安发明了脉冲传输控制器技术，这是磁芯存储器技术的基石。年，他将这项技术专利以50万美元卖给了IBM公司。
DRAM（动态随机存取存储器）芯片登纳德缩小规则
出生于年的登纳德在卡内基梅隆大学获得博士学位后，加入了IBM沃森研发中心，他所在的半导体存储器研究小组跟磁芯存储器研究小组存在着竞争关系。
罗伯特·登纳德
一方是初出茅庐的MOS场效晶体管存储器，如一匹黑马般企图入侵存储器市场；另一方是经历了十余年发展的磁芯存储器，堪称“年富力强”！
一场存储器大战正在悄然酝酿之中。双方争夺的焦点是1K及以上容量的存储器市场，半导体存储器只有做到成本低于每比特一美分时才有可能赢得胜利。
登纳德觉得半导体存储器是有机会超越磁芯存储器的。MOS场效晶体管便于高密度集成，正好符合存储器的要求。而且，美国和苏联在军事、航空航天等领域展开了激烈的竞争，无论是侦察卫星、洲际导弹，还是远程轰炸机，都需要安装控制计算机，这催生了对小巧存储设备的需求，从而为半导体存储器打开了一扇充满机遇的窗口。
那时，登纳德正在研究SRAM。SRAM有一个致命弱点，存储1比特信息需要6个MOS场效晶体管，这导致了芯片面积大、成本高，当时的容量最多只能达到(1K)比特。
SRAM是仙童半导体公司的诺曼在年发明出来的。每个存储单元包含两个首尾互连的MOS反相器，它能将存储状态锁定，两侧各有一个晶体管做开关。
登纳德意识到，晶体管的数量没法无止境的减少，单纯改进SRAM存储器是不够的，SRAM中晶体管的数量已经减少到了极限，必须提出一种新的存储原理。可是从何下手呢？
登纳德想，要想打败磁芯存储器，必须先充分了解其优点。磁芯存储器最大的优点就是结构简单，纵横两根线的交叉处放置一个磁环，如果驱动一根横线与一根纵线，那么交叉点处的磁环就将被选中，可对其进行读写。这个纵横交叉的结构无比简洁，登纳德想在半导体存储器中也采用这个结构。
登纳德想，纵横交叉的线分别对应于存储矩阵的行与列，在交叉点设置一个电容器来存储电荷（有电荷代表1，无电荷代表0），再用一个晶体管作为开关。这就像通过一根输液管把水导入瓶中，然后拧紧瓶口的开关。
DRAM阵列
每比特存储单元只需一个晶体管开关和一个存储电容器
至于读取数据，登纳德又增加了一个晶体管开关，把电容器上的电荷读出。这样一来，存储一比特信息只需要两个晶体管和一个电容器，从而大大地简化了电路。
登纳德这个想法没有让他的上司和他一起感到兴奋，原因在于虽然SRAM成本高，但毕竟技术比较成熟，运行稳定。而登纳德的想法是全新的，没有经过实际验证。
更何况，登纳德的存储器存在着一个致命的缺陷：
晶体管开关一旦泄漏电流，就会导致全部数据丢失。登纳德不甘心就此放弃，想到了一个补救方法：不停地刷新补充电荷。这就像不断地打开开关给瓶中补水。由于需要不停地刷新，因此这种存储器被称为动态随机存取存储器。
因为这个需要不算刷新补充电荷的致命缺陷，最终，IBM公司没有立项研究这种新存储器，登纳德只能利用业余时间思考DRAM。登纳德的目标是减少到只有1个晶体管，以便将成本降到最低、集成度提高到极限。
过了几个星期后，他有了一个突破：用一个晶体管完成写数据，然后再重复地利用同一个晶体管完成读操作，这样就又减少了一个晶体管，每比特只需一个晶体管和一个电容器即可实现。
年，登纳德为DRAM申请了专利，并于次年得到了授权。
不过，IBM公司再一次重蹈了贝尔实验室对待MOS场效晶体管的覆辙，他们认为DRAM是一种有严重缺陷的创意，于是否决了开发计划。
图片来源于网络
年，英特尔捷足先登，推出了世界上第一款容量达到1K的DRAM，瞬间轰动了世界。DRAM中，每个比特使用了3个晶体管；而在一年后的年，每个比特只使用一个晶体管的DRAM也做了出来，容量为2K。这也意味着半导体存储器终于跨越了1K容量的生死线，可以跟磁芯存储器一较高下了。
年，登纳德提出了MOS场效晶体管尺寸缩小的“登纳德缩小规则”，晶体管每一代缩小30%，面积就会减少一半。随后，DRAM的存储密度越来越大，远远地把磁芯存储器甩在了后面。到了20世纪70年代中期，磁芯存储器终于抵挡不住DRAM的攻势，退出了历史舞台。如今，DRAM的存储密度至少是磁芯存储器的10亿倍！
年，全球的DRAM市场规模达到了亿美元。主流计算机和手机上DRAM内存达到了16G，比年增长了万倍。
如今，全世界基本上人均一部智能手机，它的内部至少有一颗DRAM芯片。
半导体领域最重要的发明之一浮栅晶体管
前文已经提到，IBM公司的登纳德构想出的DRAM有个缺陷，晶体管开关一旦泄漏电流，就会导致全部数据丢失，这也是停电时文档如果没有及时保存到硬盘就会丢失的原因。
年，贝尔实验室的姜大元注意到了半导体存储器的潜力，预计它迟早要替代当时主流的磁芯存储器，于是他想发明一种掉电后数据还能长期保存的存储器，即非易失性存储器（简称NVM）。
此时，距离姜大元和阿塔拉发明MOS场效晶体管已经过去了7年，阿塔拉早已离开了贝尔实验室，姜大元则有了一位新的合作者施敏（SimonM.Sze）。
施敏在年出生于中国南京，年毕业于中国台湾大学，年在斯坦福大学获得博士学位。
施敏
最早的非易失性存储器是只读存储器（简称ROM），存储的数据不可修改，而且不能定制。这有点像印刷书籍，同一批次的内容完全相同。
到了年，美国保殊艾玛公司要为军方开发一种用在导弹中的存储器，不同导弹的瞄准目标不同，存储的目标位置信息也不同，这就要求能够定制信息，这样ROM就不适用了。
于是，保殊艾玛公司的周文俊(WenTsingChow)开发了PROM，由内部的二极管阵列的“通”或“断”代表0或1，出厂时这些二极管处于全部导通状态。当客户需要写入信息时，只需在对应的二极管中接入大电流，令其晶须融化，断开通路，目标信息就可以固化在电路中，这被称为“烧录”。
“烧录”解决了定制的问题，不过一颗存储芯片只能“烧录”一次。如果要“烧录”其他数据，只能用一颗新的空白芯片去“烧录”。这种方式有点像激光打印，可以预先定制内容，然后让激光在白纸上灼烧并留下痕迹，但无法擦除后重复使用。对于一些要反复升级程序或修改信息的场合，这不仅不够灵活，还容易造成芯片的浪费。
姜大元和施敏希望能够在无须更换芯片的情况下，在芯片中反复擦除和写入信息。这需要将电荷存储在晶体管中一个不易丢失的地方。
不过，姜大元和施敏遇到了一个困难，那就是该把电荷“藏”在哪里呢？MOS场效晶体管是一个平面结构，像一块平坦的地板，找不到一个地方来“安放”电荷。因此，姜大元和施敏需要构造出一个安全的“藏匿”地点。
最终，一块四层的芝士蛋糕启发了他们，姜大元和施敏想到，如果将MOS场效晶体管的栅极也变成4层结构，也就是在原有的一层绝缘体和一层栅极金属的基础上，再叠加一层绝缘体和一层栅极金属，那么这两层绝缘体之间就存在一个悬浮的金属层，把电荷关进中间悬浮的金属层里，从而做出一个存储器来，上下两层绝缘层就像两层隔板，将电荷稳稳地存放于中间。于是，一种浮栅晶体管的想法应运而生。
浮栅晶体管示意图
在MOS场效晶体管的栅极堆中额外插入一层浮动的金属栅极。
不过，这里有一个悖论，为了构造悬浮的金属层，其下方有一层绝缘体，这阻挡了下方硅晶圆中的电荷进入悬浮的金属层。
下方的电荷要怎样才能“跃”过绝缘层，“飞升”到悬浮的金属层中呢？这一次，量子力学又发挥了作用，只要绝缘层足够薄，电子就能像崂山道士那样穿墙而过，进入悬浮金属层，这叫作“隧穿”。
姜大元和施敏立刻回到实验室，准备把这个浮栅晶体管做出来。第一批做出了十几个浮栅晶体管，这些晶体管的一致性非常好，都能存储电荷。最成功的一个浮栅晶体管在电荷泄漏完之前，足足保存了一个小时之久。
但不讨人喜欢的上司又出现了，这个发明不只不能做成产品，最终只是将这个想法发表在公司内部的《贝尔系统技术》(BellSystemTech)杂志上。于是，这项半导体领域最重要的发明之一浮栅晶体管就于年5月16日发表在了一本很少人阅读的内部期刊上。
没有浮栅晶体管，就不会有后来的可擦除可编程只读存储器（简称EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（简称EEPROM）、闪存等存储器，今天也不会有手机存储卡、固态硬盘（简称SSD）、U盘，以及数码相机和行车记录仪的存储卡。
开窗的芯片弗罗曼发明EPROM
年，《应用物理》(AppliedPhysics)杂志的评审人收到了一篇稿件，英特尔公司的工程师多夫·弗罗曼（DovFrohman）声称自己发明了浮栅晶体管。幸好期刊评审人了解施敏的工作，并告知作者已经有人先想到了这个点子。
多夫·弗罗曼
然而这位弗罗曼也并非等闲之辈，他在浮栅晶体管的基础上还有一个新的发明，即EPROM，它能方便地用紫外线擦除数据。那么，弗罗曼是如何在浮栅晶体管的基础上更上一层楼的呢？
年，弗罗曼出生于荷兰的一个犹太人家庭，在以色列读完大学后，他前往美国留学。硕士毕业后，他一边在仙童半导体公司工作，一边在加州大学伯克利分校攻读博士学位，研究金属氮氧化物半导体（简称MNOS）存储器。
年，弗罗曼博士毕业后追随摩尔等人去了英特尔公司。
当时英特尔公司正在开发代号为的SRAM。这款芯片是公司成立以来第一颗比特的MOS存储器，而且第一次使用了硅栅工艺。公司对它寄予厚望，但就在产品上市前，存储器无法通过高温、高湿测试，使得MOS场效晶体管的输出变得不稳定。
年，弗罗曼来到SRAM项目“救火”。经过一番详细排查，他确定“真凶”来自栅极中的金属，这些金属电子漂移到下方的绝缘体中，使其变得可导电，从而引起了短路。
这时，弗罗曼将他正在解决的问题跟他之前研究的MNOS存储器关联了起来。他想，“这些封存在绝缘体里的电荷制造了这么多麻烦，也许我能把它们利用起来并做出一个存储元件”。当电荷被封存到绝缘体中时代表存储了1，否则就是0。
一天，弗罗曼发现当结断裂时，栅极上突然累积了大量电荷。这是一个意外的惊喜，也给了他重要的启示，也许这个现象能用来存储电荷。
过了一段时间，弗罗曼想到了一个方法：用一个普通的硅栅MOS场效晶体管，不连接栅极使其悬空，模拟断裂的结来存储电荷。这个结构同样是用两层绝缘层夹着一层金属来存储电荷，只比姜大元和施敏的浮栅晶体管少了最上层的栅极金属。
此外，弗罗曼打算将电子注入硅晶圆表面的沟道中，再迁移到悬浮的金属层中存储起来，因此这种器件被称为浮栅雪崩注入MOS场效晶体管（简称FAMOS）。
FAMOS：将栅极悬空，存储电子
弗罗曼还有一个关键问题待解决，那就是如何擦除存储器中的电荷？
弗罗曼首先想到的是用X射线照射元件，X射线中的高能粒子的能量会激发电荷，使其从绝缘层中逸出。但高能粒子的冲击也会让MOS场效晶体管变得不稳定。那么，能否找到一种破坏性较小的射线呢？弗罗曼想到了紫外线。试验后，紫外线的确起到了作用，而且没有破坏元件。
但是，又有一个很实际的问题冒了出来。芯片封装在塑胶外壳里，而为了能接受紫外线照射，必须使芯片的晶圆暴露出来，但这样会损坏芯片。
弗罗曼左思右想，觉得只能在塑胶外壳上开一个口，装一块石英玻璃，这似乎是唯一能解决问题的办法。
但是一想到生产线上的技术人员对这个开口的芯片外壳的反应，弗罗曼的担心又加重了。但在与诺伊斯讨论后，芯片上有了一个石英窗口，就像我们如今看到的EPROM封装那样。
带有一个紫外线擦除窗口的EPROM
接下来，弗罗曼尝试制作了一些能存储16比特信息的EPROM样片，效果还不错，电荷能存储一天时间。然后，弗罗曼需要给英特尔公司的高层管理者演示一下这个新玩意儿，以说服他们继续支持这个项目从概念阶段转到产品阶段，做一个更大的比特的EPROM。最后，摩尔发出了向前进的清晰指令。
摩尔认为，英特尔正在开发CPU，需要定制程序，而EPROM正好能方便地存储程序。后来证明这一策略很成功，人们将EPROM跟CPU搭配做出了很多以前无法做到的事。工程师们也很喜欢EPROM，因为他们可以方便地修改程序，掩盖他们的“bug”，于是他们买CPU时顺便会买些价格昂贵的EPROM，这使得英特尔公司从中挣的钱比CPU还多。
年2月，弗罗曼在国际固态电路会议(ISSCC)上展示了自己的发明。
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年，摩尔接受采访时说：“回溯历史，在微处理器产业发展的过程中，EPROM的重要性其实和CPU不相上下，我很高兴它们是同步发展起来的。”
舛冈富士雄发明闪存
如今，我们的手机、数码相机的存储卡以及SSD（固态硬盘，SolidStateDisk或SolidStateDrive）里使用的不是EPROM，而是闪存。
那么，闪存是谁发明的？
20世纪90年代，日本东芝公司的公关部对《福布斯》杂志声明，这个发明是英特尔公司首创的，而英特尔公司则说是东芝公司先发明的！为什么这两家顶级的半导体公司都要把这个最重要的发明推让给对方，而不是争取到自己名下呢？
这还要说回20世纪70年代的日本。那时东芝公司的存储器团队先后做出了2K容量的EPROM和1M容量的DRAM，使得东芝一跃成为世界领先的存储器制造商。
领导东芝公司存储器团队的是舛冈富士雄（FujioMasuoka），他对掉电后仍能存储数据的存储器很感兴趣，但是EPROM很不灵活，紫外线一次性就能把整个芯片给擦除掉，却无法单独擦除一小块区域。
他于年出生，年在日本东北大学取得博士学位，随后加入了东芝公司。
舛冈富士雄
年，美国休斯飞机公司的伊莱·哈拉里(EliHarari)发明了EEPROM，无须紫外线照射，只需要电信号就能擦除数据。而且，它还能选择要擦除的单个比特，非常灵活。为了选择特定要擦除的比特，需要两个晶体管分别控制纵向的选择线（位线）和横向选择线（字线），就像用经度和纬度来确定某一点的位置。但是，它要求每个比特位上都要额外配备两个晶体管，这导致芯片面积变大、价格高昂。
舛冈富士雄想，能否在EPROM和EEPROM之间找到一个折中方案？既能有选择地擦除一块区域，又不那么昂贵。
如果要降低成本，只能尝试减少选择比特位上的两个晶体管。如果把它减少为一个，就无法选择某一个比特位单独擦除了，而只能擦除一整块区域（但不是一整块芯片）。就像用铅笔在方格本上写字，不再能单独擦除某个字，而是要擦掉一整行（但至少不是一整页）。这意味着灵活性减弱，但带来的好处是成本大大降低。舛冈富士雄觉得值得一试。
年12月，舛冈富士雄在投给国际电子器件会议的文章里，将他业余时间研究的能用电信号一次性擦除信息的存储器，第一次公开地使用了“闪存”这个名字。他还在同一年申请了专利，并于次年得到了授权。
在年的国际固态电路会议上，舛冈富士雄正式发布了2K容量的闪存。此时，东芝公司仍承认闪存是舛冈富士雄的原创发明。
然而，在国际固态电路会议之后，一切都变了。英特尔公司在会上得知了东芝公司发布的闪存后，对它非常感兴趣，向东芝公司发出了一份正式的样片申请书。
英特尔公司是当时最大的存储器厂家，也是东芝公司的竞争对手。
随后，英特尔公司立刻投入了名工程师攻关研发闪存产品，而东芝公司只给舛冈富士雄配备了几位工程师。在英特尔公司大批量地抢占了闪存市场后，东芝公司这才反应了过来，开始加大研发力度。
东芝公司的首批闪存应用到了福特汽车上，这让升级汽车软件变得更容易。
又过了一年，到了年初，美国贸易委员会突然起诉了所有的日本存储器公司，告它们侵犯了德州仪器的DRAM专利。如果败诉，日本的存储器产品将被排除在美国市场之外。那年8月，东芝公司派遣舛冈富士雄到华盛顿参加应诉。
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在旅居华盛顿的这段时间，舛冈富士雄把目光放到了硬盘这种大容量存储介质上。跟机械硬盘相比，闪存的成本仍要高出很多倍。舛冈富士雄心中又定下了一个目标：继续降低闪存成本以替换掉机械硬盘。
机械硬盘虽然便宜，但体积大、很笨重，运行时受到震动很容易损坏。不过，其单位存储的成本非常低。要想进一步降低闪存成本，那就得继续增大闪存的存储密度，可是每个数据比特对应一个晶体管已经到极限了。
既然晶体管数量已经无法减少，那么其他部分呢？舛冈富士雄把视线转向了晶体管之间的连线。这些导线的粗细跟晶体管几乎一样，如果大幅减少芯片中的导线连接数，就能节约导线所占的面积，从而提高闪存的存储密度。
此前舛冈富士雄发明的闪存中，相邻晶体管之间是并联关系，每一个晶体管都要跟外部电路连接，导线数量众多。由于这些并联的晶体管组成“或非门”(NORgate)，所以人们把它称为或非闪存。
或非闪存和与非闪存结构对比
舛冈富士雄想，如果把并联改为串联，让多个晶体管像糖葫芦那样彼此串成一串，只需在首尾与外部连接即可，这样就能减少内部连线，从而缩小芯片面积，降低成本。
与这种串联晶体管对应的是“与非门”(NANDgate)，故而舛冈富士雄发明的第二种闪存名为与非闪存。总体上，与非闪存的存储密度比之前的或非闪存提高了2.5倍，成本也随之大幅降低。
回到日本后，舛冈富士雄制作了一些简单的样片，然后把结果发表在了年的国际电子器件会议上。
之后他找到公司生产数码相机的消费电子业务部，听了舛冈富士雄讲述这种低成本且轻巧的与非闪存，主管认为它很适合存储数码相片。就这样，舛冈富士雄得到了一笔经费，得以继续研究大容量的与非闪存。
但是，公司高层对舛冈富士雄不经同意就暗自开发与非闪存感到很不满意。年，就在第一款与非闪存推出后不久，公司高层架空了舛冈富士雄。此后，舛冈富士雄和东芝公司的关系变得越来越紧张。
年，忍无可忍的舛冈富士雄辞职回到了母校日本东北大学当教授。
接着就出现了前文说到的匪夷所思的一幕，东芝公司宁可把闪存的发明专利让给英特尔公司，也不愿意承认这是舛冈富士雄的发明。
直到年，美国电气与电子工程师协会把利布曼奖颁给了舛冈富士雄，东芝公司才改口承认舛冈富士雄对闪存研究的贡献。
最近几年，闪存渐渐地扩展到了笔记本电脑中，使其变得更加轻盈和抗震，年甚至出现了T的闪存SSD。在云存储的数据中心里，闪存SSD也占据越来越多的位置。
20世纪60年代，半导体存储器开始登上舞台并挑战传统的磁芯存储器。随着MOS场效晶体管技术的成熟，半导体存储器集成度越来越高，价格也随之越来越低。
年，仙童半导体公司的罗伯特·诺曼发明了SRAM。
年，IBM公司的罗伯特·登纳德发明了DRAM，但因漏电被公司束之高阁。
正是看到了半导体存储器的巨大前景，诺伊斯和摩尔于年离开仙童半导体公司，创立了英特尔公司，并于年推出了世界上第一款容量为1K的DRAM。随着计算机的快速发展，DRAM成了产量最大、最重要的存储器之一。
然而，DRAM在掉电后无法保存数据。
年，贝尔实验室的姜大元和施敏发明了浮栅晶体管，可用于掉电后保持数据的存储器。在此基础上，英特尔公司的多夫·弗罗曼于年发明了EPROM，其灵活的擦除功能推动了CPU的进一步发展。
年，休斯飞机公司的伊莱·哈拉里发明了EEPROM。相较于EPROM擦除时会擦掉全部数据，EEPROM虽然灵活，但成本高昂。
年，日本东芝公司的舛冈富士雄发明了既灵活又低成本的非易失存储器——闪存。年，舛冈富士雄进一步改进，发明了成本更低、存储密度更高的与非闪存。这成了现在的手机、相机存储卡和SSD的基础。
注：本文节选自汪波老师的《芯片简史》
