上一回【Maker電子學】Flash 記憶體的原理與應用—PART3，我們介紹了 EEPROM 的詳細運作原理：如何利用電位差控制量子穿隧效應，讓電子進入或離開浮動閘極，以做到寫入或抹除。這個效應是絕大多數 Non-Volatile Memory 的基礎，不管是 EEPROM 還是 Flash Memory，都是基於這個技術發展出來的。
這一回我們會開始介紹 flash memory 快閃記憶體。
Flash 的誕生
從發展的歷史來說，EEPROM 的出現比 Flash Memory 要早。如同上一篇說的，1978 年 Intel 量產第一顆 16 Kbit 的 EEPROM 2816，在當時是劃時代的產品：可以重複抹寫，而且斷電後可以保存資料，但 EEPROM 也有一些缺點，最主要的問題是密度太低、不適合用來儲存大量資料。
1980 年時，在 Toshiba 半導體工作的舛岡富士雄剛被調回研究單位，開始投入 Non-Volatile 記憶體的研究。他首先分析了 EEPROM 的缺點及原因，認為在 EEPROM 中，造成電路複雜、密度低的主要原因是 EEPROM 為了要可以抹除任意的儲存單元，需要有另一套定址（addressing）的電路，用以對每一個儲存單元的浮動閘極進行電荷注入或洩漏的操作。
因此，他朝另一個方向思考：如果不要一次擦除一個儲存單元，而是一次擦除一整個區塊呢？於是他設計出一種 EEPROM，可以一次擦除一整個區塊，命名為「Simultaneously Erasable EEPROM」。由於擦除電路同時對一整個區塊的記憶單元作用，大幅降低了擦除電路的複雜度，連帶也使得讀取與寫入電路可以借用當時已經充分發展的 DRAM 技術，因而讓這種記憶體的發展大幅邁進一步。
由於整個區塊可以共用擦除電路，這種記憶體的擦除速度大幅提高。根據 Toshiba 的說法，在舛岡富士雄的同事有泉正二建議下，他們將這種記憶體命名爲「Flash」，靈感來自於相機的閃光燈。
但舛岡富士雄發明 flash 記憶體的當下，並未受到 Toshiba 公司的重視，當時的 Toshiba 專注發展 DRAM，並沒有打算將研發資源投注在 flash 上，直到四年後的 1984 年，舛岡富士雄和他的團隊在 IEEE 國際電子組件會議（IEDM）上發表了有關 NOR 快閃記憶體的論文：「A new Flash E2PROM cell using triple polysilicon technology」。
他在論文的摘要中寫到：「The cell is programmed by a channel hot carrier injection mechanism similar to EPROM. The contents of all memory cells are simultaneously erased by using field emission of electrons from a floating gate to an erase gate in a flash.」（寫入這種 EEPROM 的方法是使用如同 EPROM 熱載子注入，而整個記憶體的內容則可以用強電場引起的「場致發射」效應來同時達成）。
這種 Flash Memory 最重要的特性，就是每個 bit 只需要一顆電晶體，相較於當時的 EEPROM 每個 bit 需要兩顆電晶體，密度整整提高了一倍。
Intel 慧眼識英雄
舛岡富士雄發表的論文引起了 Intel 的重視，立即聯絡 Toshiba 和舛岡富士雄，取得授權開始開發它的製程，將它產品化。1988 年，Intel 發表了時間第一顆商用的 Flash 記憶體晶片：28F256。
（圖片來源：Bird 提供）
這是當年 28F256 上市時的 datasheet。可以看到，它抹除整顆晶片的內容只要 1 秒鐘。當時的 EEPROM 每抹除及寫入一個 byte 就要大概 9 ms，如果寫入整顆晶片 32K bytes，就要 32768 * 9 = 294912（ms），也就是將近五分鐘，而 28F256 寫入一個 byte 只需要 100 us 左右，寫整顆晶片只要 4 秒。跟當時的 EEPROM 比起來，這個速度的提升稱之爲「Flash」當之無愧。
仔細看看這個 datasheet 上的描述，還有個很妙的地方，它寫著：「100 min erase/program cycles（10K min version avail 1H90）」。你沒看錯，28F256 上市時，它的寫入壽命只保證 100 次，Intel 在 datasheet 上承諾，可以耐 1 萬次寫入的產品在 1990 年上半年就會上市。嗯，看起來是等不及昭告天下，「我們有了個超酷的新產品！雖然它現在還有一點缺陷，但很快它就會變得很厲害。」
時隔多年後的今日，Flash Memory 的壽命已經可以輕易超過萬次甚至達數十萬次以上，但 Flash 與 EEPROM 之間的界限卻變得越來越模糊。一般認爲可以單一 byte/word 抹除及寫入的記憶體，稱之爲 EEPROM，而需要區塊抹除/寫入的記憶體則稱之爲 Flash Memory。
舛岡富士雄的故事還沒結束。他發明的第一種 Flash Memory 現在稱之爲 NOR Flash，這個命名來自它裡面電晶體的排列方式，我們之後會介紹。就在 Intel 量產 NOR Flash 的前一年，舛岡富士雄又在 IEEE 國際電子組件會議（IEDM）上發表了新的有關快閃記憶體的論文：「New ultra high density EPROM and flash EEPROM with NAND structure cell」。
這種 Flash Memory 的密度比原來的 NOR Flash 更高，而由於它的 cell 結構類似邏輯電路的 NAND gate 排列，現在稱之爲 NAND Flash。NAND flash 的定址電路與 DRAM 或是當時的 NOR Flash 不同，應用上有一些限制，但仍然可以藉由控制電路加以補償，因此 NAND Flash 很快成爲現今高容量 Flash Memory 的主流技術。我們今天在使用的 SD 卡、eMMC 記憶體，裡面都是 NAND Flash。
愛恨情仇
雖然爲 Toshiba 立下不少汗馬功勞，舛岡富士雄卻沒有受到公司的重用，反而被冷凍，因此在 1994 年，爲 Toshiba 工作了 23 年後，舛岡富士雄選擇辭職，回母校東北大學任教。有很長一段時間，Toshiba 並不承認舛岡富士雄是 NOR Flash 的發明人，直到 1997 年 IEEE 授予舛岡富士雄 IEEE 的特殊榮譽獎項 Morris N. Liebmann Memorial Award，Toshiba 才改口。
爲此，舛岡富士雄在 2004 年對 Toshiba 提起一樁求償 10 億日元的訴訟，向 Toshiba 爭取他發明 Flash memory 所應得的報酬。這樁訴訟最後在 2006 年以 8700 萬日元和解，此時的舛岡富士雄已經 63 歲，距離他發明 NOR Flash 已經 22 年了。
小結
這一回我們說了 NOR Flash Memory 發明的故事，以及在 Flash Memory 這個產業中至關重要的關鍵人物舛岡富士雄，以及他與 Toshiba 的恩怨情仇。
下一回，我們要來仔細看看 NOR Flash 的結構與技術。
（責任編輯：賴佩萱））
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