Pioneros de la industria de la memoria no volátil

Los dispositivos de memoria no volátil (NVM) con chip flash Intel / Micron NAND son dispositivos electrónicos de almacenamiento de lectura y escritura que continúan almacenando información después de que se apaga el dispositivo. Estos incluyen dispositivos basados ​​en discos magnéticos y ciertos tipos de chips semiconductores. Los dispositivos semiconductores no volátiles desempeñan un papel importante en todos los aspectos del universo digital, desde las celdas de almacenamiento de enormes bancos de datos en la nube hasta los dispositivos personales portátiles, y constituyen uno de los segmentos más grandes de la industria de semiconductores de 400.000 millones de dólares.



Como cualquier producto semiconductor importante, desde el transistor hasta el microprocesador, los dispositivos NVM han recorrido un largo camino desde el trabajo de los primeros exploradores que tomaron el trabajo de sus predecesores como base y los desarrollaron a través de la inspiración, la suerte, el ensayo y error, así como la determinación de ignorar las dudas de los escépticos. En este artículo, compartimos en orden cronológico algunos de estos pioneros y sus contribuciones, desde los inicios de una idea en 1960 en Fairchild hasta la producción a gran escala de chips flash en la última década del siglo XX.



En nombre del Grupo de Interés Especial de Semiconductores (SIG), Jeff Katz grabó entrevistas con contribuyentes al desarrollo de dispositivos semiconductores NVM comerciales para la Colección de Historia Oral.Museo de Historia de la Computación. Muchos de los comentarios personales que se citan a continuación se han extraído de las transcripciones de entrevistas, a las que se puede acceder a través de los enlaces del texto.

Antes de la memoria no volátil semiconductora

Antes de la llegada de los dispositivos semiconductores, la tecnología de mayor éxito para el almacenamiento informático no volátil era la memoria de núcleo magnético, que utilizaba el efecto de histéresis magnética. En su disertación1952 para su doctorado en MIT, Dudley Buck describió cristales ferroeléctricos que usaban un mecanismo de histéresis similar para almacenar y magnetizar información digital. Reid Anderson y Walter Merz de Bell Telephone Laboratories demostraron en 1955 el dispositivo de almacenamiento ferromagnético que fue el precursor de la arquitectura de semiconductores NVM. Utilizando tecnologías de deposición y grabado, fabricaron una matriz de cristales de 256 bits conectados por caminos metálicos; más tarde, estas tecnologías comenzaron a aplicarse a la producción de circuitos integrados semiconductores.





Foto de la revista Scientific American , junio de 1955.



Los fundadores de Ramtron, con sede en Colorado Springs, Larry McMillan y George Rohr, fueron pioneros en la comercialización de dispositivos de memoria de acceso aleatorio ferroeléctricos (FRAM) , presentados por primera vez en 1952.

Evolución de la tecnología celular NVM: las primeras cuatro décadas

En la década de 1960, se inició la investigación sobre las dos tecnologías principales para diseñar células semiconductoras NVM. En una celda de "puerta flotante", la carga se almacena en un electrodo que no está conectado a un circuito externo. El "atrapamiento de carga", más a menudo llamado "atrapamiento de nitruro", permite que la carga se almacene en una capa de nitruro de silicio conectada a un circuito activo. Ambas tecnologías prometían beneficios significativos y costos de fabricación reducidos, facilidad de uso y retención de datos para una variedad de aplicaciones.



Los componentes y sistemas comerciales que utilizan ambas tecnologías comenzaron a surgir en la década de 1970. Los productos basados ​​en la captura de carga se llamaban con mayor frecuencia EAROM (Memoria de solo lectura borrable eléctricamente), y los primeros dispositivos de puerta flotante se llamaban EPROM (ROM programable borrable).



En la década de 1980, la memoria de obturador flotante se había convertido en la tecnología dominante en el mercado. Las EPROM y sus mejoras, incluidos los primeros productos flash, se han convertido en un porcentaje significativo de las ganancias de la industria mundial de semiconductores. En la década de 1990, la tecnología Flash brindó nuevas oportunidades para los dispositivos NVM y comenzaron a usarse en unidades de estado sólido y dispositivos digitales de consumo.

Década de 1960: pioneros del elemento memoria

Sa Zhitan, circa 1989



Sa Zhitan del Laboratorio de Investigación Fairchild en Palo Alto informó en 1961 que una carga podía almacenarse "durante mucho tiempo (varios días)" en el electrodo de puerta de un tetrodo MOSFET¹ de superficie controlada. Señaló que en una conversación con el fundador de Fairchild, Victor Greenich, y el ingeniero Frank Wanless, "comprendieron de inmediato el potencial de este descubrimiento en un dispositivo de memoria con obturador flotante". No se les ocurrió una idea de producto porque en ese momento la empresa estaba ocupada abordando problemas fundamentales de estabilidad en el proceso MOSFET.



Las primeras descripciones documentadas de las células de memoria de captura de carga se crearon en laboratorios de ambas costas de Estados Unidos a mediados de la década de 1960. Edgar Sack, Chu Ting y otros en el Westinghouse Central Research Laboratory utilizaron la estructura Metal-Nitride-Oxide-Silicon (MNOS) en 1966 como un elemento de captura de carga³. Chu y John Scedon hablaron sobre el elemento Westinghouse MNOS en la Conferencia de Investigación de Dispositivos de Estado Sólido de 1967 en Santa Bárbara. Esta tecnología se transfirió a la división de semiconductores de la empresa en Youngwood para desarrollar fusibles de artillería electrónica para reemplazar los fusibles mecánicos.





Área limpia de la división de semiconductores Westinghouse en Youngwood, alrededor de 1959. Foto de E. Sack



En el mismo 1967, seis científicos dirigidos por Richard Wegener del Centro de Investigación Sperry Rand (Sudbury, Massachusetts) describieron un dispositivo de almacenamiento MNOS indestructible programable eléctricamente con captura de carga. En un informe de la NASA de 1968, "Un estudio de nuevos conceptos para dispositivos adaptativos", Wegener declaró que el MNOS es "el primer dispositivo semiconductor que proporciona capacidades de almacenamiento no volátiles programables eléctricamente".



Dov Frohman-Benczkowski se unió al Laboratorio de Investigación Fairchild en Palo Alto en 1965. En conjunto, escribió su doctorado sobre "Transferencia y captura de carga en estructuras MNOS y su aplicación en dispositivos de memoria" en la Universidad de California en Berkeley, donde "sabía más sobre este tema que la mayoría de los profesores". [ Entrevista con Dov Frohman ] . A partir de su trabajo, inició el proceso de solicitud de patente, que se registró después de dejar la empresa. La solicitud de patente incluía una estructura de máscara para crear una memoria MNOS palabra por palabra de 9 bits que él mismo fabricó para demostrar las capacidades de los arreglos de almacenamiento integrados a gran escala.





Dawon Kang y Simon Zee



Mientras estudiaban un pastel de queso de cuatro capas a la hora del almuerzo en Bell Telephone Laboratories (BTL) en 1967, a Murray Hill, Dawon Kang y Simon Zee se les ocurrió la idea de agregar una cuarta capa flotante para almacenar carga en el MOSFET. Para probar la viabilidad del concepto, fabricaron un par de docenas de dispositivos en el laboratorio. "Los dispositivos duraron un máximo de una hora, después de la cual los electrones comenzaron a filtrarse". [ Entrevista con Simon Zee ]... "Mi jefe dijo que era completamente inútil ... ¿Quién se beneficiaría de un dispositivo así?", Dice Zee. Se les permitió publicar su trabajo en el artículo de julio de 1967 "El obturador flotante y sus aplicaciones en dispositivos de memoria" en el Bell System Technical Journal, pero BTL no siguió la idea. "Simplemente lo dejaron en el estante".





RMM de 256 bits en semiconductores amorfos ECD / Intel, 1970



Numerosos inventos y el emprendedor Stanford Ovshinsky causaron sensación en la comunidad científica, afirmando en 1968 en el New York Timessobre la creación de un interruptor con memoria basada en los elementos de Ovshinsky. Este dispositivo, desarrollado en su laboratorio de Dispositivos de Conversión de Energía (ECD) en Troy, Michigan, usó materiales de calcogenuro no cristalinos para crear un interruptor que se enciende o apaga cuando el voltaje aplicado alcanza un cierto valor. Ovshinsky dijo que podría producir circuitos electrónicos más pequeños, más rápidos, más simples, más confiables y más baratos de lo que sería posible con los transistores. El estudiante de maestría Charles Xi, que trabajó en el cambio en ECD, dijo que la principal ventaja de la tecnología es que "la información se puede almacenar para siempre (sin límite de tiempo para la retención de datos)". [ Entrevista con Charles C. ]



No mucho antes de eso, los fundadores de Intel, Robert Noyce y Gordon Moore, se asociaron con Ovshinsky para estudiar la tecnología para crear memoria no volátil para complementar su propia RAM futura basada en bipolar y MOSFET. Un artículo de 1970 de Gordon Moore, Ron Neil y D. Nelson de ECD describe una memoria de lectura mayoritaria (RMM) de 256 bits que consiste en una película de material semiconductor amorfo intercalado entre dos electrodos de molibdeno⁷. Intel se limitó a esta demostración del concepto y no desarrolló productos basados ​​en él, sin embargo, renació como la base para la memoria de cambio de fase 3D XPoint, que Intel y Micron anunciaron en 2015; Intel vendió productos terminados bajo la marca Optane.

Década de 1970: aparición de productos industriales de NVM

Módulo multichip Westinghouse BORAM, alrededor de 1975.



A principios de la década de 1970, los dispositivos de memoria MNOS no volátiles demostraron ser una opción atractiva para los diseñadores de sistemas aeroespaciales y de defensa. La Fuerza Aérea de EE. UU. Otorgó a Sperry Rand un contrato para construir la matriz EAROM de 1024 bits, y Westinghouse diseñó módulos híbridos de RAM orientada a bloques (BORAM) reprogramables eléctricamente para el Ejército de EE. UU. Y otros clientes. Varios chips colocados sobre un sustrato cerámico aseguraron aviones y sistemas portátiles livianos y compactos.



Al mudarse a Intel en 1969, Dov Frohman continuó su investigación sobre tecnologías de almacenamiento MNOS. Sin embargo, mientras investigaba los problemas de estabilidad causados ​​por la migración de carga en el nuevo proceso de fabricación de puertas de silicio de la empresa, se le ocurrió una idea alternativa de almacenar carga en un conductor de puerta flotante. "Esta fue una evolución de lo que llamé el dispositivo FAMOS (Semiconductor de óxido metálico de inyección de avalancha de puerta flotante) ... que era la columna vertebral de la EPROM". [ Entrevista con Dov Frohman ] Antes de presentar la patente de arquitectura, no estaba familiarizado con el trabajo de Kang y Zee en Bell Labs.





Dov Frohman-Benczkowski, alrededor de 1971. Foto: Intel Corporation



Frohman dejó de trabajar más en la unidad MNOS para centrarse en el diseño de un producto de puerta flotante, y en 1971 Intel presentó su EPROM de 2048 bits, etiquetada como 1702. Las EPROM se programaron electrónicamente, pero se borraron y modificaron. El uso fue posible solo después del tratamiento físico del chip con radiación UV a través de una ventana de cuarzo en la caja. Las versiones más baratas y programables por única vez (OTP) que no requerían una ventana de borrado costosa han demostrado ser populares en los sistemas de microprocesador (MPU). Varias generaciones de EPROM más grandes y más rápidas constituyeron la línea de productos más rentable de Intel hasta mediados de la década de 1980.





La ventana de cuarzo transmite luz ultravioleta para borrar los datos de la EPROM



Los fabricantes japoneses de semiconductores reconocieron rápidamente el potencial comercial de las EPROM. El pionero de los circuitos integrados Yasuo Tarui del Laboratorio Electrotécnico de Tokio y sus colegas propusieron un dispositivo de puerta flotante en 1971 en la conferencia de dispositivos de estado sólido⁸ en Tokio. A esto le siguieron muchos artículos de investigación y productos comerciales exitosos de empresas japonesas.





GI's EAROM Manual, 1983



En 1969, Ed Sack dejó Westinghouse para trasladarse a General Instrument Corporation en Hicksville, NY. Allí se desempeñó como Vicepresidente y Gerente General de la División de Microelectrónica, que fue pionera en la comercialización de tecnología MNOS en electrónica de consumo. Su comparación de Westinghouse ("Club de caballeros con un toque de política") y GI ("Lower East Side de Manhattan con un toque de peleas callejeras") demuestra las diferencias culturales significativas entre las empresas de semiconductores militares y comerciales de la época. [ Historia personal de Ed Sack ]



En 1975, GI presentó el ER1400 Bit-Serial EAROM, que se complementó con un microprocesador CP1600 de 16 bits (desarrollo conjunto con Honeywell); estos productos estaban dirigidos al chipset de sintonizador de TV digital de estado sólido y se han vendido por millones. GI continuó produciendo dispositivos EAROM de bajo costo para productos de consumo durante varias décadas.



Otros fabricantes que han explorado tecnologías de memoria MNOS no volátiles incluyen McDonnell Douglas, Mitsubishi, NCR y RCA. Sin embargo, el rápido crecimiento en la cantidad de dispositivos y la caída de los precios, impulsados ​​por la intensa competencia en los productos de puertas flotantes, han convertido a EPROM en la solución no volátil preferida para la mayoría de las aplicaciones.



Las mejoras, como la función de borrado eléctrico, han fortalecido aún más la posición de los dispositivos de persiana flotante. Eli Harari de Hughes Microelectronics (Newport Beach, Calif.) En 1976 se le ocurrió la "idea de que es posible reducir la capa de óxido de la puerta en el dispositivo Frohman-Bentschkovski de 1000 angstroms a 100 angstroms para proporcionar programación eléctrica y borrado" lejos de la necesidad de un borrado externo lento con radiación ultravioleta. [ Entrevista con Eli Harari ] En 1980, Hughes introdujo una PROM eléctricamente borrable (EEPROM) de 8 KB, etiquetada como 3108, y un chip SRAM no volátil llamado NOVRAM.





George Perlegos



George Perlegos contribuyó a varios desarrollos importantes de NVM en Intel, incluida la primera EEPROM: el dispositivo 16K 2816 creado en 1978. Junto con Gordon Campbell y Phil Salisbury, Perlegos fundó SEEQ Technology en 1981. En esta empresa, Perlegos lideró el desarrollo del 5213, una única EEPROM de 5 voltios lanzada en 1982, en un esfuerzo por eliminar la necesidad de una fuente de alimentación de alto voltaje separada. Se incorporó una bomba de carga en su diseño, que genera el voltaje necesario para soportar la programación. "Para crear este tipo de memoria, necesitábamos diseñar las bombas de carga lo suficientemente pequeñas para caber en cada columna y en cada fila". [ Entrevista a George Perlegos] Para fomentar el uso de sus dispositivos en aplicaciones que requieren alta confiabilidad, SEEQ los ha anunciado como capaces de soportar al menos un millón de ciclos de escritura.



El ex ingeniero nacional de procesos de semiconductores Raphael Klein fundó Xicor en 1978 en Milpitas, California, para centrarse en dispositivos NOVRAM y EEPROM. En las primeras etapas, Xicor compartió el crecimiento del mercado naciente con SEEQ, sin embargo, incapaz de hacer frente a la competencia en la producción de dispositivos masivos de bajo costo, terminó su trabajo en 2001.

Década de 1980: aparición de la arquitectura Flash

En 1980, Fujio Masuoka del Toshiba R&D Center en Kawasaki, Japón, contrató a cuatro ingenieros: M. Asano, H. Iwahashi, T. Komuro y S. Tanaka para trabajar en un chip NVM para su uso en dispositivos masivos de bajo costo. Las EPROM existentes usaban dos transistores por celda de memoria. Los ingenieros diseñaron una celda de transistor único más compacta, conectada de manera similar a la puerta NOR. El colega de Masuoki, Shoji Ariizumi, sugirió el nombre "flash" porque el borrado tenía que ocurrir a la velocidad del flash de una cámara. Masuoka habló sobre la celda NOR Flash en la Reunión Internacional de Dispositivos Electrónicos (IEDM) de 1984 celebrada en San Francisco. Aunque logró reducir el tamaño de la celda,debido a problemas con la producción de la estructura MOS requerida para el dispositivo con tres capas de polisilicio, Toshiba no implementó la versión comercial de la invención.



Según Harari, Satyen Mukherjee y Thomas Chan de la startup Exel Microelectronics, Inc. (San José, Calif.) Diseñó una estructura flash que podría fabricarse industrialmente; se convirtió en la base de lo que Intel llamó más tarde NOR flash.





Fujio Masuoka



Al llegar a Washington para defender una empresa en un litigio de patentes con TI, a Masuoka se le ocurrió la idea de una arquitectura NAND Flash que pudiera proporcionar tamaños de celda aún más pequeños y velocidades de escritura / borrado más rápidas que NOR Flash. A su regreso, Masuoka le preguntó a Hiseo Tajiri, jefe de desarrollo de electrónica de consumo de Toshiba, si una cámara digital con flash NAND de cuatro megabits podría reemplazar la película. [ Entrevista con Fujio Masuoka ] Tajiri se dio cuenta de que NAND podía reemplazar la película y eso llevó al departamento de cámaras a financiar el proyecto. Masuoka habló sobre el dispositivo en el IEDM de 1987 en Washington DC, y la producción de chips NAND Flash de 16 Mbit comenzó en 1992.



Infeliz de que Toshiba, en su opinión, no recompensara suficientemente su trabajo, Masuoka renunció a su trabajo en 1994 y se convirtió en profesor en la Universidad de Tohoku. Contrariamente a la cultura de lealtad japonesa de la compañía, demandó a su antiguo empleador por una compensación y resolvió la disputa en 2006 por una suma global de 87 millones de yenes (758.000 dólares).



Stefan Lai se unió al departamento de Santa Clara de Intel para desarrollar tecnología EEPROM escalable. Trabajando con Dick Pashley, creó una forma de agregar funcionalidad de borrado eléctrico a pequeñas celdas EPROM preexistentes para crear una arquitectura NOR Flash que podría fabricarse mediante un proceso de fabricación estándar. NVM dijo que la tecnología no funcionaría, por lo que Lai y Pashley se reunieron con Gordon Moore, quien les dijo: "Lo haré, no se preocupen". [ Entrevista con Intel Flash ] Después de comenzar el desarrollo de un nuevo dispositivo empresarial basado en Flash en Folsom, California, Pashley y Lai, junto con el diseñador Niles Kynett, demostraron chips funcionales en 1986 y lanzaron el producto NOR Flash de 256 kilobits en 1987. ...



A fines de la década de 1980, el mercado global de dispositivos semiconductores NVM de todas las tecnologías de fabricación excedía los $ 2 mil millones. Los productos más populares de esa era eran EPROM de 64 Kbps, 128 Kbps, 256 Kbps y 1 Mbps, y comenzaron a aparecer los primeros dispositivos de 2 Mbps. Los fabricantes estadounidenses, liderados por AMD, Intel, Motorola, SEEQ y TI, recibieron aproximadamente el 50% de las ganancias del mercado global. El beneficio restante se dividió entre los proveedores europeos, principalmente SGS-Thompson (10%), y los proveedores japoneses Fujitsu, Hitachi, Mitsubishi, NEC, Oki, Toshiba (40%), pero sus suministros estaban limitados por cuotas de producción del gobierno (MITI).

Década de 1990: unidades de estado sólido y nuevas aplicaciones de consumo

En la década de 1990, la tecnología Flash creó nuevas posibilidades para los dispositivos NVM en configuraciones NAND y NOR. La arquitectura NOR Flash tenía las ventajas de acceso aleatorio y tiempos de lectura rápidos, y su funcionalidad de ejecución en el lugar (XIP) era ideal para la ejecución de código y, por lo tanto, para el procesamiento de datos. NAND Flash tenía velocidades de lectura más lentas pero un tamaño de celda mucho más pequeño, lo que permite dispositivos de alta densidad y bajo costo, ideales para almacenamiento externo. Además, el acceso de lectura / escritura a NAND bloquea el acceso simulado a las unidades de disco.





Prototipo de SSD de SanDisk (anteriormente SunDisk) para IBM (1991)



Eli Harari, quien fue pionero en los procesos de óxido fino en Hughes Aircraft en la década de 1970, fundó SunDisk (más tarde rebautizado como SanDisk) en 1988 para desarrollar dispositivos de memoria de alta capacidad basados ​​en memoria flash. Pronto se le unieron los cofundadores Jack Yuan y Sanjay Mehrotra, y el arquitecto de sistemas Robert "Bob" Norman. El primer pedido importante de la compañía fue de 10,000 dispositivos ATA plug-and-play de 20 MB y 2,5 pulgadas para reemplazar el disco duro Connor de 20 MB en la ThinkPad PC de IBM en 1991. En ese momento, la confiabilidad de la memoria flash era baja, pero Harari se sintió alentado por los comentarios de los clientes sobre los dispositivos prototipo: "Si varios dispositivos funcionan sin problemas durante todo el fin de semana, tienes un buen producto". [ Entrevista a Eli Harari]



Se han requerido varias generaciones de mejoras en el proceso de fabricación y la arquitectura de los sistemas de memoria flash para lograr los niveles de confiabilidad requeridos para las aplicaciones comerciales. Harari incorporó metadatos en los dispositivos que permitieron que su firmware realizara la corrección de errores, ocultando así al usuario los problemas de confiabilidad, críticos para la popularidad de la tecnología. Los portátiles convencionales con SSD llegaron al mercado a finales de la década de 2000, y los SSD modernos son el segmento de más rápido crecimiento del mercado de almacenamiento informático.





Fundadores de SanDisk: Yuan, Mehrotra y Harari



SanDisk tiene una nueva oportunidad después de que la compañía introdujera las tarjetas CompactFlash para cámaras digitales en 1994. “Nos dimos cuenta de que en lugar de que alguien más vendiera películas o cámaras, necesitábamos crear un mercado secundario para las tarjetas flash. Su transformación en una marca internacional fue un punto de inflexión en la historia de la empresa ”, dice Mehrotra. [ Entrevista con Sanjay Mehrotra ] En 2016, Western Digital adquirió SanDisk.



La tecnología flash moderna domina el mercado de más de $ 50 mil millones para dispositivos NVM en 2019 y es el segmento más grande en la industria mundial de semiconductores. Samsung se ha convertido en el mayor proveedor de chips flash con aproximadamente el 30% del mercado. Otros proveedores importantes son Toshiba y Western Digital.

Premio al Logro de la Cumbre de Memoria Flash

Cada año, Flash Memory Summit honra a las personas que han demostrado liderazgo en el avance del desarrollo, el uso de la memoria flash y tecnologías relacionadas con el Lifetime Achievement Award (LAA) . Los nominados no mencionados anteriormente incluyeron a Kinam Kim de Samsung, quien recibió un premio por su progreso en el desarrollo de 3D NAND, y Dov Moran y Aryeh Mergi de M-Systems por innovaciones, incluida la memoria flash incorporada en teléfonos móviles, sistemas de archivos para Flash y unidad flash USB.

Enlaces a transcripciones de entrevistas

, №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



Entrevista con Charles C., catálogo 102746598 Colección del Museo de Historia de la Computación



Entrevista con Simon Zee, catálogo 102746858 Colección del Museo de Historia de la Computación

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