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NAND FLASH和DRAM内存是谁最先发明的

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下面按 NAND FlashDRAM 分别展开,提供详细的背景、发明过程、技术特点和影响。

一、NAND Flash(NAND 闪存)

1. 发明人:舛冈富士雄(Fujio Masuoka)

  • 出生:1943 年,日本群马县。

  • 所属机构:日本东芝公司(Toshiba)。

  • 教育背景:日本东北大学工学部,后取得博士学位。

  • 其他贡献:他还发明了 NOR Flash(1984 年),是闪存技术的另一位先驱。

2. 发明背景

在 1980 年代,非易失性存储器主要有 EEPROM(电可擦除可编程只读存储器),但 EEPROM 的每个存储单元需要两个晶体管,导致芯片面积大、成本高,难以实现大容量存储。当时的存储介质主要是磁盘、磁带,但它们是机械式的,速度慢、抗震性差。

舛冈富士雄希望发明一种高密度、低成本、非易失的固态存储器,来替代磁盘。他在东芝工作时,主动研究新的存储结构。

3. 发明过程与时间线

  • 1984 年:舛冈富士雄首先发明了 NOR Flash,并在国际电子器件会议(IEDM)上发表。NOR Flash 支持随机读取,适合代码存储,但写入和擦除速度较慢,且单元面积较大。

  • 1987 年:他进一步发明了 NAND Flash,同样在 IEDM 上公布。NAND Flash 的名字来源于其内部单元连接方式类似 NAND(与非)逻辑门。与 NOR 相比,NAND 的单元面积更小,成本更低,但随机读取速度慢,适合大容量数据存储。

  • 1989 年:东芝推出了第一款 NAND Flash 芯片,但最初并未受到公司高层重视,因为其擦写寿命有限(约 10 万次),且需要坏块管理,市场前景不明。

4. 技术特点

  • 非易失性:断电后数据不会丢失。

  • 写入前需要擦除:NAND 必须按“块”擦除,按“页”写入,不能像 RAM 一样字节级直接改写。

  • 高密度:每个存储单元可以存储 1 bit(SLC)、2 bit(MLC)、3 bit(TLC)甚至 4 bit(QLC),容量大幅提升。

  • 寿命有限:每个单元有擦写次数限制,因此需要磨损均衡算法来延长使用寿命。

  • 速度:顺序读写速度快,随机读写相对较慢,但现代 NVMe SSD 通过控制器优化已大幅提升。

5. 商业化与影响

  • 1990 年代:三星、东芝、SanDisk 等公司开始大力投入 NAND Flash 的研发和量产。三星在 1990 年代后期将 NAND 用于存储卡和 MP3 播放器,逐渐打开市场。

  • 2000 年代:U 盘、SD 卡、MP3 播放器、数码相机等设备广泛采用 NAND Flash,取代了软盘和部分光盘。

  • 2010 年代至今:NAND Flash 成为 固态硬盘(SSD) 的核心,彻底改变了计算机存储架构,使系统启动、程序加载速度大幅提升。目前 3D NAND 堆叠技术(如 128 层、200 层以上)还在不断演进。

6. 发明人的后续

舛冈富士雄在东芝期间并未因这些发明获得足够奖励。2004 年,他向东京地方法院起诉东芝,要求支付合理报酬。2006 年,法院判决东芝支付约 8700 万日元(后和解金额未公开)。这一案件推动了日本企业对员工发明奖励制度的改革。后来他离开东芝,曾任教于日本东北大学,并获多项国际奖项。


二、DRAM(动态随机存取存储器)

1. 发明人:罗伯特·登纳德(Robert H. Dennard)

  • 出生:1932 年,美国德克萨斯州。

  • 所属机构:美国 IBM 公司。

  • 教育背景:卡内基梅隆大学(原卡内基理工学院)电气工程博士。

  • 其他贡献:他还提出了著名的 登纳德缩放定律(Dennard Scaling),指导了半导体工艺微缩数十年。

2. 发明背景

1960 年代,计算机主内存主要使用 磁芯存储器(Core Memory),它是非易失性的,但体积大、速度慢、制造复杂。当时已经有 SRAM(静态随机存取存储器),但每个存储单元需要 6 个晶体管,成本高、密度低,难以作为大容量主内存。

IBM 当时正在开发大型计算机,需要一种高密度、低成本、高速的随机存取存储器。登纳德在 IBM 的研究小组中,思考如何用更少的元件实现一位存储。

3. 发明过程与时间线

  • 1966 年:登纳德提出了一个革命性的想法:用一个晶体管和一个电容就能存储一位数据。晶体管作为开关,电容存储电荷;有电荷表示“1”,无电荷表示“0”。因为电容会漏电,所以需要周期性地“刷新”(重新充电),因此称为“动态”存储器。

  • 1967 年:他提交了专利申请。

  • 1968 年:获得美国专利(专利号 US3387286)。

  • 1970 年:Intel 公司推出了第一个成功的商用 DRAM 芯片——Intel 1103,容量为 1 Kbit。它很快取代磁芯存储器,成为大型计算机和小型计算机的主内存标准。

4. 技术特点

  • 单元简单:1 个晶体管 + 1 个电容(1T1C),比 SRAM 的 6 晶体管单元小得多,密度高、成本低。

  • 易失性:断电后数据丢失。

  • 需要刷新:电容会漏电,必须在几毫秒内刷新一次,否则数据丢失。刷新由内存控制器自动完成。

  • 速度:访问速度比 SRAM 慢,但比磁盘、磁带快得多。

  • 发展:从最早的 1 Kbit 到现在的 16 Gbit、32 Gbit 单芯片,工艺从微米级发展到 10 纳米级,并引入 DDR、LPDDR、GDDR、HBM 等多种类型。

5. 商业化与影响

  • 1970 年代:DRAM 成为半导体产业的重要产品。Intel 首先推出 1103,但后来日本厂商(NEC、东芝、日立等)崛起,掌握了更大的市场份额。

  • 1980-1990 年代:美日半导体贸易摩擦中,DRAM 是核心产品。韩国三星、现代(后 SK 海力士)后来居上,成为全球 DRAM 主要供应商。

  • 2000 年代至今:DRAM 是计算机、服务器、手机、显卡等设备的主内存,与 CPU 直接交换数据,是决定系统性能的关键部件。目前全球 DRAM 市场主要由三星、SK 海力士、美光三家垄断。

6. 发明人的后续

登纳德在 IBM 工作多年,成为 IBM Fellow。他除了 DRAM 外,还提出了 MOSFET 缩放定律(1974 年),指出随着晶体管尺寸缩小,功耗密度可保持不变,从而指导了摩尔定律的实现。他获得了 IEEE 荣誉奖章(2009 年)、美国国家技术奖章等多项荣誉。

三、两者对比简表

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四、总结

  • DRAM 的发明(登纳德,1966 年)奠定了现代计算机主内存的基础,它用极简单的单元结构实现了高密度存储,至今仍是所有电子设备不可或缺的核心部件。

  • NAND Flash 的发明(舛冈富士雄,1987 年)则在非易失性存储领域带来了革命,使大容量、低成本的固态存储成为可能,推动了 U 盘、存储卡、SSD 的普及,并改变了整个存储行业的格局。

两位发明人的贡献都极大地推动了半导体和信息技术的发展,至今仍深刻影响着我们的生活。


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