一个被自己公司说成“别人发明”的人
二十世纪九十年代某个时候,东芝的公关部门接到《福布斯》记者的提问,话题是闪存——那种关掉电源、数据也不会消失的存储芯片,当时已经在悄悄改变相机、手机和电脑。记者想知道这东西是谁发明的。东芝的回答是:英特尔2。
这个回答的荒诞之处,要过几年才会让人看懂。因为发明闪存的人,姓舛冈,名富士雄,1971年起就在东芝工作,NOR闪存和NAND闪存这两样东西的核心专利,都署着他的名字,都在东芝的实验室里做出来1。一家公司的公关部门,在被问到自己最重要的发明之一出自谁手时,把功劳推给了竞争对手。
这不是口误。它精确地概括了这一章要讲的事:一个人发明了后来支撑起数千亿美元产业、塞进全世界每一部手机和每一块固态硬盘的东西,他从雇主那里拿到的奖金是几百美元,之后还差点被降职;而当外界问起时,雇主宁可把荣誉送给对手,也不愿提他的名字16。
技术史上“谁发明、谁获利”的断裂,在前面几章已经反复出现。序曲里说过MOSFET的两位发明人阿塔拉和姜大元远没有拿诺奖的肖克利、巴丁、布拉顿出名(第3、5章);第1章里德福雷斯特造出了放大器却不懂自己造的是什么。但舛冈富士雄的故事比那些都更刺眼,因为错位发生得如此彻底、如此当代,而且当事人还活着,还打了官司,把这件事钉在了法庭记录里。
顺带一提,闪存的种子,其实序曲里已经埋下。姜大元1967年和施敏(Simon Sze)一起发明了浮栅MOSFET——一种栅极被氧化层完全包住、可以“困住”电荷的晶体管。电荷被困在里面,断了电也跑不掉,这就是一切非易失存储的物理基础3。舛冈做的,是把这个原理变成一种便宜到能铺满全世界的产品。
记忆为什么会“忘事”
要理解舛冈解决的是什么问题,得先回到上一章。
第10章讲过记忆的两条腿:DRAM和SRAM。这两样东西有个共同的、要命的毛病——断电就忘。DRAM靠一个个小电容存电荷,电荷几毫秒就漏光,所以要不停刷新;SRAM靠六个晶体管互相锁住一个状态,只要电一直供着就记得住,电一断,状态立刻塌掉。它们都是“易失”(volatile)存储。你电脑跑着的程序、打开的网页,全在DRAM里;一旦停电,全没。
可计算机还需要另一种记忆:关了机也得记住的东西。开机要加载的程序、相机里拍下的照片、手机里存的通讯录——这些不能一断电就消失。
早期解决这个问题的器件,是ROM和它的几个变种。最早的ROM在出厂时就把内容“烧死”,再也改不了。后来有了EPROM——德福雷斯特式的工程直觉在这里又出现了一次,它由英特尔的多夫·弗罗曼(Dov Frohman)在1971年发明,能擦能写,但擦除的办法极其原始:把芯片从电路板上拔下来,对着芯片顶上那个石英小窗口,用紫外线灯照上二十分钟4。很多老工程师都记得那个带石英窗的陶瓷封装,照完了还得拿不透明的小贴纸把窗口糊上,免得日光把数据慢慢擦掉。
再后来是EEPROM,“E”是electrically,电可擦。不用紫外灯了,通上电就能擦。这是一大进步,但代价沉重:EEPROM为了实现按单个字节擦写,每一个存储单元要用两个晶体管。两个晶体管意味着每一比特占的硅面积大、成本高5。在一个按面积卖钱、按摩尔定律(第7章)逐年压缩面积的行业里,“每比特两个晶体管”这件事,就是天花板。
舛冈盯上的,正是这个数字。
工厂管理者的“半秘密项目”
舛冈富士雄1943年5月8日生于群马县高崎市,1966年从东北大学拿到工学学士,1971年拿到博士,同年进东芝。他不是一进公司就做闪存的。早年他先搞出了一种叫SAMOS的堆叠栅雪崩注入存储器——已经是后来闪存的雏形;1976年做双层多晶硅结构的DRAM;1977年转到半导体业务部门,做出过1Mb DRAM6。这是一个在存储这条路上摸爬滚打了快十年的人,他对“每比特占多大面积、值多少钱”这件事,有着近乎本能的敏感。
闪存的核心专利,是他1980年和同事饭塚肇(Hisakazu Iizuka)一起申请的7。出发点很朴素:当时的EEPROM擦得太慢,他们想做一种擦得快的非易失存储。但舛冈真正的洞见,藏在一个看起来微不足道的取舍里——他决定不要EEPROM那种“按单字节擦”的奢侈功能,改成整片或整块一次性擦除。放弃了单字节擦除,每个存储单元就只需要一个晶体管,而不是两个8。
一个对两个。听上去微小,在一块要塞进千百万个单元的芯片上,这是成本对半砍的差别。舛冈后来对IEEE Spectrum解释他的逻辑时说了一句很工程师的话:“We knew the cost of the chip would keep going down as long as transistors shrank in size.”——只要晶体管继续缩小,芯片成本就会一直降下去8。换句话说,他赌的不是某个时点的性能,而是摩尔定律这条曲线本身。单晶体管单元,是唯一能搭上这条曲线、一路缩到底的方案。
问题是,东芝管理层不感兴趣。
公司的钱和人,那时都压在DRAM上——日本半导体业整个八十年代的黄金时代,主战场就是DRAM,东芝、NEC、日立正把美国人打得节节败退。在这样的大势里,舛冈那个“擦得快、还放弃了单字节功能”的怪东西,没人觉得值得投资源。据IEEE Spectrum的记载,舛冈当时是个工厂的工程管理者,他用一种近乎“半秘密”的方式推进这个项目,手下带着四名工程师;多家叙述还提到,为了把东西做出来,他甚至在夜里和周末,未经东芝许可,自己偷偷做研究9。
一个发明,要靠发明者瞒着公司、占用自己的睡眠时间才能活下来——这本身就说明了组织看走眼的程度。
1984,旧金山,三层多晶硅
1984年12月,IEEE国际电子器件会议(IEDM)在旧金山召开。舛冈在会上发表了一篇题为《A new flash EEPROM cell using triple polysilicon technology》的论文,第一次把这种单晶体管、可整片电擦除的存储单元公之于众。首批做出来的芯片容量小得可怜——8192字节,也就是8KB。但范式已经立住了:每一比特只用一个非易失晶体管,整块一次性擦掉10。
这就是后来所谓的NOR闪存。
“flash”这个名字的来历,配得上它日后的命运——它纯属偶然。整片内容被一次性瞬间抹掉的过程,让舛冈的同事相沢俊治(Shoji Ariizumi)联想到照相机的闪光灯,一闪,全清。他随口提议叫它flash11。这个如今家喻户晓、印在无数U盘和存储卡上的词,不是来自任何技术术语,而是来自一句对相机闪光灯的联想。
这里要替读者把一个常见的含糊处理清楚。IEEE Spectrum的“芯片名人堂”那篇文章,把舛冈1984年的IEDM演示笼统称作“flash”,容易让人以为闪存是1984年一次性诞生的。更准确的脉络是:1984年在旧金山IEDM拿出来的,是NOR;三年后,1987年,同样在旧金山的IEDM,舛冈才发表了NAND闪存,东芝的NAND商业化也在此后展开12。两个东西,两次会议,恰好都在旧金山,容易被叙述揉成一团。
NOR和NAND的差别,决定了它们日后各自的命运,值得花几句话讲明白。
与门、或门,和两种活法
名字来自存储单元的连接方式,借用了逻辑门的叫法(逻辑门是第8、9章的主角)。
NOR闪存,每个存储单元都直接连到位线上,像一排各自独立、各有门牌的房间。好处是可以随机、快速地读取任意一个地址的内容,而且读得快、读得准。代价是单元之间要留出连线和接触孔,密度上不去,每比特贵。NOR适合干什么?适合存那种“要被处理器直接、随机地读出来执行”的东西——比如固件、启动代码。业内有个术语叫XIP(execute in place,就地执行),处理器可以直接从NOR里取指令运行,不必先搬到RAM。你手机和电脑里那段最底层的开机引导程序,传统上就住在NOR里13。
NAND闪存,则把一串单元首尾串联起来,像一长串挂在一根线上的灯泡。这样省掉了大量接触孔,单元挤得极密,每比特便宜得多。代价是没法随机读单个字节——要按页、按块整批地读写擦。NAND读单个地址慢、笨,但论“每平方毫米能塞多少比特、多少钱一GB”,它碾压NOR。所以NAND的归宿,是大容量数据存储:相机的存储卡、U盘、手机里那几百GB空间、数据中心里成排的固态硬盘13。
一句话记住:NOR管“程序怎么跑”,NAND管“数据放哪儿”。 前者要快、要随机、要可靠地就地执行;后者要便宜、要密、要海量。舛冈先做出了NOR(1984),又做出了真正改变世界的NAND(1987)12。而NAND,正是今天那个“盖楼”产业的根——3D NAND、HBM、先进封装,是第23章的主题。
被对手验证之后,自家才回头
1984年舛冈把NOR拿出来了,东芝还是没把它当回事。
真正让闪存变成生意的,是太平洋对岸的英特尔。
英特尔的路子和舛冈不完全一样。它的NOR闪存基于一种叫ETOX的单元——EPROM Tunnel Oxide,EPROM隧穿氧化层。技术源头可以一直追到弗罗曼1971年在英特尔发明的那个EPROM,关键人物是工程师斯特凡·赖(Stefan Lai)。ETOX的思路,用一句话概括就是:把EEPROM那种“装在系统里就能电擦写”的便利,做到接近EPROM的低成本,代价是只能按大块擦、不能按单字节擦——这和舛冈放弃单字节擦除的取舍,殊途同归14。
1988年,在英特尔,一个臭鼬工厂式的小团队发布了首款商用闪存芯片:一颗256kbit的CMOS NOR闪存。价格在今天看来贵得离谱——折合每兆字节大约一千美元的量级。但它是个产品,能买、能用、有市场。英特尔把闪存做成了一门真生意15。
这一下,东芝坐不住了。竞争对手把NOR做成了商业成功,压力就回传到东芝内部。于是出现了这一章最具讽刺意味的一幕:舛冈的发明,先被自家公司雪藏,然后被竞争对手验证,最后竟是因为对手的成功,东芝才在1989年回过头来批准量产舛冈的NAND技术15。
发明在自家诞生,被自家冷落,被对手做火,再被自家因为对手而重新拾起。这个循环里,发明者本人从头到尾站在产业前面,却始终不在产业的中心。
而舛冈拿到了什么?据多家报道(All About Circuits、techovedas等二手源转述,需说明的是这个具体数字缺乏一手档案的精确佐证),他因为这项发明拿到的奖金,是几百美元。之后东芝还曾试图把他降职16。再之后,就是开头那一幕——公关部门对《福布斯》说,闪存是英特尔发明的2。
离开,和一场罕见的官司
1994年,舛冈离开东芝,回到母校东北大学,任固体电子学研究所教授17。
在日本企业文化里,一个为公司创造了核心技术的资深工程师,到了五十出头转身离开,本身已经够刺眼。更刺眼的还在后头。2004年,舛冈把东芝告上了法庭,索要发明补偿18。
这件事在当时的日本是罕见之举。日本大企业讲究终身雇佣、对公司的忠诚,员工发明的专利权益归公司,是默认的规矩,极少有人为此撕破脸打官司。但那几年风向有点变化——2004年前后,日本接连出现几起前员工起诉雇主索要发明对价的案子,最著名的是中村修二告日亚化学的蓝光LED官司(那是第16章的故事)。舛冈的诉讼是同一股潮流里的一朵浪18。
舛冈的主张是:他的发明在1984到2003年间,为东芝带来了约200亿日元的利润,他认为10亿日元(约910万美元)的补偿才算合理19。
2006年7月31日,双方和解。东芝支付的金额是——8700万日元,约75.8万美元20。
不到他要求的十分之一。和解声明用的是那种把一切抹平的措辞:双方“在这些员工发明相关问题上,不再有任何未了结的事项或责任”(no longer any outstanding issues or liabilities between them in respect of these employee’s inventions)20。一桩开创了一个产业的发明,就这样在法律意义上画了句号。
8700万日元,听上去不少。可把它放在舛冈自己估算的200亿日元利润旁边——更别提闪存后来实际创造的、以千亿美元计的全球市场——这个数字与其说是补偿,不如说是一份和解书的封口费。它精确量化了“发明者”和“受益者”之间那道裂缝有多宽。
他还做了另一件超前太多的事
在为闪存不平的故事之外,舛冈身上还有一段几乎被忽略的伏笔,它把这一章和全书最后几章接上了线。
1988年,就在他做出NAND前后,舛冈在东芝领导团队演示了一种叫SGT的东西——Surrounding Gate Transistor,环绕栅晶体管。普通的MOSFET(第5章)是平的:栅极是一块平板,铺在沟道上面,只从一面控制电流。舛冈的SGT把这个结构立了起来,让栅极从四面把沟道整个环绕住,从一圈去控制电流。这是最早的非平面三维晶体管之一21。
懂行的读者读到这里大概已经会心一笑了。栅极从四面包住沟道——这正是几十年后,当晶体管缩到3纳米、2纳米节点、平面栅极再也控不住漏电时,整个行业转向的那个结构:GAA(Gate-All-Around,全环绕栅极)。这条从胡正明的FinFET(把晶体管立起来)一路走到GAA的故事,是第20章的主题。舛冈1988年那个SGT,是这条路线最早的先声之一21。
更说明问题的是后续。舛冈晚年(2004年起)出任一家叫Unisantis Electronics的公司的CTO,继续追这条基于SGT的三维晶体管路线22。也就是说,这个人一生两次走在产业前面——第一次是闪存,提前了好几年;第二次是环绕栅,提前了二三十年。两次他都是先行者,两次他都不在最终收割成果的位置上。这几乎成了他个人命运的一种韵脚。
盖楼时代:三星接过的那一棒
闪存的故事如果停在舛冈这里,会显得过于悲情。但产业不会停,它沿着舛冈当年那句“只要晶体管继续缩小,成本就一直降”的逻辑,一路狂奔,直到把平面缩到了头。
NAND靠把单元越做越小、越挤越密来降成本。可缩到一定程度,单元之间挨得太近,电荷开始互相干扰,数据可靠性下降——平面NAND撞到了自己的墙。这堵墙的破法,和半导体史上别的几堵墙一样,是换维度:既然平面铺不下了,那就往上盖。
2013年8月,三星宣布量产业界第一款三维垂直NAND——3D V-NAND。第一代产品是24层堆叠、128Gbit容量,采用三星自家的3D电荷陷阱(CTF)单元结构;这一代是MLC(每个单元存2比特)——真正的TLC(3比特)V-NAND要等到2014年第二代(32层)才量产。三星给出的数字是:可靠性比当时的10纳米级平面浮栅NAND高出2到10倍,写入性能翻倍23。
这是NAND从“平面铺”转向“垂直盖楼”的起点。今天的旗舰3D NAND已经堆到两三百层。你手机里那块存了几万张照片的存储芯片,本质上是一栋盖了几百层的微观高楼,每一层都铺满了舛冈四十年前那种“一个晶体管一比特”的单元24。这套“盖楼”的工艺,连同HBM的堆叠和先进封装,构成了第23章的内容;而当年逼着东芝回头的英特尔,最终在这场大容量NAND的竞赛里逐渐退场,把战场让给了三星、东芝(后来分拆为铠侠Kioxia)、美光、SK海力士这些专做存储的玩家24。
产业地理的母题,在这里又一次显形。闪存的原理诞生在日本东芝的实验室,第一个商用产品出自美国英特尔,而把它推向极致、做成“盖楼”巨型产业的,是韩国三星和东亚的几家存储厂——发明在一处,量产东移,产能集中24。这条线,和后面讲LCD(第14、15章)、讲LED(第16章)、讲太阳能(第17章)时会看到的轨迹,是同一条。
几百美元,和一栋三百层的楼
回到开头那个画面:东芝公关部门告诉《福布斯》,闪存是英特尔发明的2。
今天我们知道这不对。舛冈富士雄因为闪存,1997年拿了IEEE的Morris N. Liebmann纪念奖,2007年获日本紫绶褒章,2013年成为日本文化功劳者,2016年获瑞宝章金银重光章,2018年拿了本田奖。荣誉迟到,但终究来了。技术史也终于普遍承认他是“闪存之父”25。
可这些荣誉,和他那几百美元奖金、8700万日元和解金之间的落差,恰恰是这一章想留给读者的东西16。这本书反复在讲一件事:诺贝尔奖偏爱漂亮的物理原理,市场偏爱可量产的产品,而决定历史的,常常是底下那些不起眼的取舍和使能技术。闪存这一章把这条线推到了极端——决定一切的,不是什么深奥的物理(浮栅的原理1967年就有了3),而是舛冈一个看似微小的工程取舍:放弃单字节擦除,把每比特从两个晶体管砍到一个8。就这一刀,划开了一个万亿比特的时代。
而做出这一刀的人,被自己的公司雪藏、被试图降职、被对外否认。他要靠周末偷偷做实验把发明养活,靠一场罕见的官司讨回不到十分之一的对价20。当全世界每一块存储卡、每一根U盘、每一块固态硬盘、每一部手机里都躺着他那个“一比特一个晶体管”的单元时,他个人从这个庞大产业里分到的,是几百美元起步、8700万日元收尾。
下一章要从明星器件转向地基——那些让芯片得以存在的、更不起眼的东西:单晶硅怎么从熔炉里拉出来,硅怎么提纯到接近完美,杂质怎么精确地掺进去,做好的芯片又怎么封装起来送到世界各地(第12章)。舛冈赌的那条“晶体管不停缩小、成本不停下降”的曲线,能跑这么久、跑这么远,靠的正是这些藏在幕后的使能层。明星器件决定了我们记住谁的名字,使能层决定了产业能走多远——而舛冈富士雄的委屈在于,他两样都贡献了,却两样都没真正分到。
参考文献
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IEEE Spectrum, “Chip Hall of Fame: Toshiba NAND Flash Memory,” 2017. 传统 EEPROM 为实现按单字节擦写,每个存储单元用两个晶体管,硅面积大、成本高(对照舛冈的单晶体管方案)。链接 →(B 级 · IEEE 报道)
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“Fujio Masuoka,” Wikipedia. 1943-05-08 生于群马县高崎市;1966 东北大学工学学士、1971 博士、同年进东芝;早年做 SAMOS、1976 双层多晶硅 DRAM、1977 转半导体业务部门做 1Mb DRAM。链接 →(B 级 · 高引百科 · 逐项核对)
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“Fujio Masuoka,” Wikipedia. 闪存核心专利由舛冈 1980 年与同事饭塚肇(Hisakazu Iizuka)一起申请。链接 →(B 级 · 高引百科)
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IEEE Spectrum, “Chip Hall of Fame: Toshiba NAND Flash Memory,” 2017. 八十年代东芝资源压在 DRAM 上;舛冈 1980 起以“半秘密”方式带四名工程师推进,上司“叫他把这个想法擦掉”;“夜里周末未经许可自做研究”为含 All About Circuits 在内的多源叙事,正文以转述呈现。链接 →(B 级 · 带叙事色彩)
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“Fujio Masuoka,” Wikipedia(论文题目);IEEE Spectrum 2017。1984 年(12 月)旧金山 IEDM,舛冈发表《A new flash EEPROM cell using triple polysilicon technology》,首批芯片仅 8,192 字节(8KB)——即后来的 NOR 闪存。链接 →(B 级 · 高引百科+IEEE · 存疑点 G5:以 IEDM 论文题目统一口径)
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“Fujio Masuoka,” Wikipedia. “flash”之名出于偶然:整片瞬间抹除让同事相沢俊治(Shoji Ariizumi)联想到相机闪光灯,遂提议此名。链接 →(B 级 · 高引百科)
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IEEE Spectrum, “Chip Hall of Fame: Toshiba NAND Flash Memory,” 2017;“Flash memory,” Wikipedia. 分期澄清:1984 旧金山 IEDM 为 NOR;1987 同在旧金山 IEDM 发表 NAND,其后东芝 NAND 商业化展开。东芝 NAND 上市年份各源不一(IEEE Spectrum 作 1989 上市,eWeek 等作 1987 launched),正文已收窄并将量产放行系于 1989(见条目 15)。链接 →(B 级 · IEEE/百科 · 存疑点 G5)
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“Flash memory,” Wikipedia. NOR 每单元一端接位线、可随机快速读、宜作 XIP(execute in place)存固件/启动代码、密度低每比特贵;NAND 单元串联、去外部地址/数据总线、密度高每比特廉、按页/块读写擦、宜大容量存储。链接 →(B 级 · 高引百科)
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S. Lai et al., “Brief history of ETOX NOR flash memory”(PubMed 23421121);“Development of ETOX NOR Flash Memory”(75th Anniv. of the Transistor, IEEE)。英特尔 NOR 基于 ETOX(EPROM Tunnel Oxide)单元,源头追至弗罗曼 1971 EPROM,斯特凡·赖(Stefan Lai)为关键人物;只能整块擦、不能按单字节擦。链接 →(B 级 · IEEE 史料)
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IEEE Spectrum, “Chip Hall of Fame: Toshiba NAND Flash Memory,” 2017;“Flash memory,” Wikipedia. 1988 年英特尔发布首款商用闪存(256kbit NOR);其商业成功促使东芝 1989 年回头量产舛冈的 NAND。具体型号(常记 28F256)、“1988-02 ISSCC”、“每兆约千美元”各源略有出入,正文未钉死型号、以约数表述。链接 →(B 级 · IEEE/百科 · 存疑点 G4)
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All About Circuits, “Historical Engineers: Dr. Fujio Masuoka, the Unsung Father of Flash,” 2020(亦见 techovedas)。舛冈因闪存仅得“几百美元”奖金,东芝还曾试图将其降职。缺一手档案精确佐证,正文明确标注为二手转述,未当确证写死。链接 →(C 级 · 二手转述 · 存疑点 G1)
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The Register, “Toshiba settles spat with Flash memory inventor,” 2006-07-31. 2006-07-31 双方和解,东芝付 8700 万日元(¥87m,约 $758,000≈75.8 万美元),不到索赔十分之一;和解措辞 “no longer any outstanding issues or liabilities between them in respect of these employee’s inventions.”链接 →(B 级 · 行业媒体,含引文)
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“Fujio Masuoka,” Wikipedia;“Multi-gate MOSFET.” 1988 年舛冈在东芝领导团队演示 SGT(Surrounding Gate Transistor,环绕栅晶体管),栅极四面环绕沟道,是最早的非平面三维/全环绕栅(GAA)晶体管之一(呼应第 20 章 FinFET→GAA)。链接 →(B 级 · 高引百科)
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“Fujio Masuoka,” Wikipedia;Unisantis Electronics, “Surrounding Gate Transistor.” 舛冈 2004 年起任 Unisantis Electronics CTO,继续追基于 SGT 的三维晶体管(垂直纳米线 GAA FET)。链接 →(B 级 · 高引百科+公司页)
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Samsung Global Newsroom, “Samsung Starts Mass Producing Industry’s First 3D Vertical NAND Flash,” 2013-08. 首代 3D V-NAND 为 24 层、128Gb、基于 3D 电荷陷阱(CTF),系 MLC(2-bit/cell);可靠性比 10 纳米级平面浮栅 NAND 高 2 到 10 倍、写入性能翻倍。★更正:原稿作“128Gbit,TLC”并括注“三星官方强调 3-bit”有误——业界首款 3-bit/TLC V-NAND 是 2014-10 第二代(32 层)的里程碑(见 Samsung 2014-10 新闻稿);已将正文 TLC 改为 MLC(2-bit)并补明 TLC 系 2014 年第二代才量产。“24 层”为三星官方数字(EE Times “Samsung Confirms 24 Layers”)。链接 →(A 级 · 厂商官方新闻稿 · 含事实更正 · 存疑点 G3)
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“Flash memory,” Wikipedia;KIOXIA 公司史。现役旗舰 3D NAND 已堆至两三百层(“两三百层”为当前量级约数);东芝存储 2018 年分拆为铠侠(Kioxia);主要玩家为三星、铠侠、美光、SK 海力士——发明在日本东芝、首个商用品出自美国英特尔、量产东移与产能集中。链接 →(B 级 · 高引百科+公司史)
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“Fujio Masuoka,” Wikipedia. 荣誉:IEEE Morris N. Liebmann 纪念奖(1997)、紫绶褒章(Medal with Purple Ribbon, 2007)、文化功劳者(Person of Cultural Merit, 2013)、瑞宝章金银重光章(Order of the Sacred Treasure, 2016)、本田奖(2018);技术史普遍承认其为“闪存之父”。链接 →(B 级 · 高引百科)