Toshiba không thương mại hóa thiết kế này ngay lập tức, nhưng ông Masuoka đã trình bày một bài báo tại hội nghị IEDM năm 1984. Intel đã quan tâm và yêu cầu mẫu, khởi đầu nỗ lực chính thức của Toshiba.
Tại Intel, một nhóm đã phát triển công nghệ chip nhớ ETOX (Erasable Programmable Read-Only Memory Tunnel Oxide Flash), bằng cách làm mỏng lớp oxit cổng của EPROM để có khả năng xóa điện tích. Thuật ngữ công nghiệp được chấp nhận rộng rãi hơn là NOR flash, và nó trở thành kiến trúc bộ nhớ flash chiếm ưu thế của những năm 1990. Intel phát hành Etox vào 1988, ban đầu nhắm đến máy tính xách tay và máy ảnh kỹ thuật số.
Mặc dù ban đầu đắt và dung lượng thấp, NOR flash đã tìm thấy vị trí của mình khi các nhà sản xuất máy tính sử dụng nó để thay thế EPROM lưu trữ mã BIOS của PC, giúp người dùng có thể nâng cấp BIOS. Intel nhanh chóng chiếm 80-90% thị trường trong những năm cuối thập niên 1980 và đầu thập niên 1990.
Đến năm 1986, Masuoka đã nảy ra ý tưởng về NAND flash khi ông đang làm tư vấn viên ở Washington D.C. trong một vụ kiện liên quan đến DRAM. Vấn đề chính của NOR là chi phí: các mảng cell NOR lớn tương tự như DRAM, dẫn đến ít khuôn trên mỗi wafer và năng suất thấp hơn. Để cạnh tranh với ổ đĩa cứng từ tính, các mảng cần phải nhỏ hơn.
Khác biệt giữa chip nhớ NOR và NAND
Sự khác biệt cơ bản là kích thước.
NOR giống như “một phòng trưng bày sách rộng rãi,” nơi mỗi cuốn sách (cell nhớ) nằm trên một bàn riêng, dễ dàng tiếp cận. Điều này mang lại khả năng truy cập nhanh và thuận tiện, nhưng hạn chế số lượng sách có thể lưu trữ. Trong NOR, mỗi cổng điều khiển của cell được kết nối với một đường dây từ (word line) và mỗi cực thoát (drain) của cell được kết nối với một đường dây bit (bit line), cho phép truy cập trực tiếp nhưng yêu cầu nhiều dây dẫn kim loại lớn, tốn không gian.
NAND giống như “một nhà kho,” nơi mọi thứ được đóng gói chặt chẽ trong các hàng kệ dài, và anh em phải chờ để dữ liệu được lấy ra. Ưu điểm là có thể nhét được nhiều sách hơn; nhược điểm là không thể truy cập trực tiếp ngay lập tức.
Trong chip NAND, 16 đến 64 cell được kết nối với nhau. Hầu hết các cực thoát của cell không kết nối với đường dây bit mà là với cực nguồn của cell lân cận, tạo thành một chuỗi. Chỉ có hai tiếp điểm trong toàn bộ mảng ở mỗi đầu chuỗi, giúp tiết kiệm rất nhiều không gian. Việc đọc dữ liệu diễn ra nối tiếp (truy cập toàn bộ hàng thay vì từng cell riêng lẻ) và xóa phải xóa toàn bộ khối. Điều này dẫn đến thời gian đọc và ghi chậm hơn, nhưng được chấp nhận để đổi lấy kích thước chip nhớ nhỏ hơn.
Thương mại hóa bộ nhớ NAND
Cuối những năm 1980 là thời kỳ bùng nổ của thị trường bộ nhớ flash. Năm 1988, Eli Harari (nhà phát minh EEPROM) đã đồng sáng lập SanDisk.
Các chip flash ban đầu không đáng tin cậy do việc ghi/ghi lại dữ liệu làm mòn lớp oxit mỏng, dẫn đến lỗi bit lưu trữ dữ liệu. SanDisk đã giải quyết vấn đề này bằng một phương pháp tiếp cận hệ thống toàn diện: họ kết hợp các khuôn bộ nhớ flash với một bộ điều khiển (controller) tích hợp sẵn, được lập trình với phần mềm sửa lỗi và các quy trình để kéo dài tuổi thọ của ổ đĩa (chẳng hạn như phân tán mức độ mòn trên nhiều khuôn flash). Đối với PC, nó được gọi bằng cái tên SSD, ổ cứng thể rắn.
Năm 1991, SanDisk đã giành được hợp đồng với IBM với sản phẩm máy tính bảng ThinkPad của họ, cần một giải pháp thay thế ổ đĩa cứng truyền thống. Sự thành công này đã thúc đẩy sự chấp nhận rộng rãi và SanDisk duy trì vị thế dẫn đầu thị trường.
Còn ở bên Nhật Bản, năm 1990, nhóm của Toshiba đã hoàn thiện sản phẩm NAND và bắt đầu sản xuất hàng loạt. Các chip NAND flash 4 megabit đầu tiên, ra mắt vào 1992 trong một sản phẩm máy ảnh kỹ thuật số của Toshiba. Tuy nhiên, chiếc máy ảnh này có giá khoảng 20.000 USD (tương đương 44.000 USD vào năm 2024), gây cản trở việc phổ biến công nghệ.
Năm 1993, Toshiba ra mắt NAND flash 16 megabit. Sau đó, Samsung đã hợp tác với Toshiba, học hỏi công nghệ và trở thành nhà sản xuất NAND flash hàng đầu thế giới.
Đổi mới để tăng dung lượng lưu trữ
Đổi mới ban đầu của SanDisk (năm 1988) là cell đa cấp (Multi-Level Cell – MLC), cho phép một cell NAND lưu trữ hai bit thay vì 1 bit. Một cell cấp độ đơn (Single-Level Cell – SLC) chỉ có hai trạng thái (0 hoặc 1). MLC cần bốn tổ hợp duy nhất (00, 01, 10, 11). Điều này đạt được bằng cách phân nhóm mức điện tích thành bốn nhóm điện áp ngưỡng. Việc thêm nhiều bước điện áp làm tăng dung lượng cho mỗi ô nhưng khó đo lường chính xác và yêu cầu độ chính xác cao khi ghi và đọc.
Toshiba và SanDisk giới thiệu MLC hai bit đầu tiên vào năm 2001, tiến trình 160 nanometer, tăng gấp đôi dung lượng lưu trữ mà không cần thiết bị mới. Đến năm 2006, MLC đã trở thành chuẩn công nghiệp.
Trong hơn 15 năm tiếp theo, các nhà cung cấp đã giới thiệu các cell 3 bit (triple layer) và thậm chí 4 bit (quad layer), tăng dung lượng của NAND flash phẳng gần gấp đôi mỗi hai năm, đạt 128GB vào năm 2015.
Và rồi đến năm 2001, một nhóm nghiên cứu tại Nhật Bản đã trình bày một bài báo đột phá chứng minh việc xếp chồng hai cell NAND theo chiều dọc. Năm 2006, nhóm R&D của Samsung Electronics đã chế tạo hai cell nhớ NAND xếp chồng lên nhau theo chiều dọc và kết nối chúng bằng kết nối xuyên silicon (TSV), nhưng những phương pháp xếp chồng trực tiếp này không có vẻ khả thi ở quy mô lớn.
Các nhà sản xuất bộ nhớ cuối cùng đã chuyển sang xếp chồng các lớp vật liệu bán dẫn xen kẽ để tạo thành các đường dây từ. Sau đó, họ khoan các lỗ tròn xuyên qua các lớp này và lắng đọng chất điện môi và kim loại bên trong các lỗ. Các nút giao nằm ở nơi các lớp và lỗ giao nhau.
Năm 2013, Samsung công bố bắt đầu sản xuất NAND xếp chồng 24 lớp cho bộ nhớ 128GB, một “khoảnh khắc đột phá” đúng nghĩa đen. Kể từ đó, Samsung đã duy trì tần suất phát triển sản phẩm hàng năm, và sản phẩm V-NAND của họ hiện đã ở thế hệ thứ 10 với hơn 400 lớp cell nhớ chồng lên nhau.
Nguồn:Baochinhphu.vn