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硬碟驅動器vs.快閃記憶體

上網時間: 2006年03月24日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Hard-disk drive  硬碟  flash  快閃記憶體  非揮發性儲存 

蘋果iPod這類行動音訊設備的迅速普及,讓人們的目光重新匯聚到兩種主要的非揮發性記憶體─NAND快閃記憶體硬碟。傳統上,硬碟曾是大量儲存的首選媒介,但是最近NAND快閃記憶體的成長速度卻頗令人關注。NAND快閃記憶體密度的不斷增加使人們不禁產生了這樣的聯想:NAND快閃記憶體馬上就會取代硬碟成為數據儲存的主導技術。但是,硬碟在許多市場上已經根深蒂固,而且在某些方面具有超越快閃記憶體的明顯優勢。這意味著,任何大規模向NAND的轉變都不太可能,而且或許也不必要。從長遠角度來看,哪種技術將成為主導尚不明朗,但是在短期內,硬碟和NAND快閃記憶體將在某些市場短兵相接。

NAND快閃記憶體元件是沒有可移動零件的固態記憶體,它依賴於在半導體電晶體上儲存少量電荷的方式記憶數據。與此不同,硬碟則依賴於包含了旋轉碟片的機械系統,該碟片在磁性儲存元件上記憶資訊。NAND快閃記憶體和硬碟的密度一直都在顯著增加,其中硬碟的儲存容量每兩年會成長一倍,而NAND快閃記憶體則每一年就會增加一倍。

NAND每年成長一倍的密度是一項很了不起的技術成就,從目前的發展趨勢來看,這種成長速度在未來3年內仍將持續。這種密度成長之所以引人注目的一個原因,就是它超越了摩爾定律,摩爾定律預測晶片內的電晶體密度每18個月才會增加一倍。NAND快閃記憶體密度的提升引發了另一個值得關注的現象:它已經取代DRAM成為幾家半導體公司的技術驅動力量。這意味著NAND快閃記憶體製造所選用的是最先進的半導體製程節點,領先於任何其它元件。例如,三星利用73nm製程生產的第一款產品是4Gb的單層單元(SLC) NAND快閃記憶體,而東芝正生產70nm的8Gb多層單元(MLC) NAND快閃記憶體。

硬碟也已經獲得了顯著的技術進步,能夠以相對較小的佔位面積生產出大容量元件。例如,3.5英吋雙碟硬碟的儲存能力高達320GB,而1、1.8以及2.5英吋小型硬碟的出現則為更小巧且更先進的消費性產品(如蘋果iPod)的開發提供了可能性。iPod Mini使用的是1英吋硬碟,它為iPod Nano的發展鋪平了道路;而iPod Video則使用了1.8英吋硬碟。

圖1: 蘋果的iPod Nano較iPod Mini在尺寸上的勝出,就是NAND快閃記憶體憑藉體積和密度優勢擊敗硬碟的典型例子。

大容量和低每位元成本是硬碟技術的主要優勢。這使得硬碟對需要大儲存容量的應用來說,是一種經濟型的儲存元件。目前,NAND技術在大容量的每位元成本方面還無法與硬碟抗衡。反之,NAND元件的體積更小、可靠性更高、功耗更低,而且速度和性能也優於硬碟。NAND儲存元件通常比相同容量的硬碟體積更小,iPod Nano和iPod Mini在尺寸上的差異就是最好的證明。這兩款MP3播放器的儲存密度相當,但是Nano的體積卻更為精巧,而且電池壽命也更長。

iPod Mini、iPod Nano和一款iRiver播放器都包含256Mb的SDRAM,但iPod shuffle卻沒有獨立的DRAM緩衝器。因為DRAM具有更快的讀寫速度,所以用它來裝載內容,之後音訊電路會存取DRAM來播放音樂。在一個配有緩衝器的硬碟播放器中,硬碟在97%的時間內都是閒置的。僅當需要在DRAM緩衝器中添加內容時,硬碟才會被啟動,所以硬碟設備的功耗並沒有我們最初想像的那麼高。

硬碟的吞吐速度一般較NAND要低,但是既然音訊應用的使用者瞭解DRAM緩衝器的存在以及音訊速度的要求不高,那麼這就不是一個嚴重的問題。NAND快閃記憶體能夠提供低得多的延遲時間以及每秒高得多的讀寫速度,但是在處理大型文件,特別是音訊應用時,這種優勢並沒有太大的價值;但是在地址指令非順序執行的程式碼應用中,它就顯得彌足珍貴。

硬碟和NAND元件的成本根據所需儲存容量而不同。成本非常重要,它經常會左右針對一項特殊應用時該選擇何種記憶體類型。幾乎在任何密度下,硬碟都具有低得多的每Mb資訊成本,雖然這種優勢會隨著硬碟大小而出現不同。如1英吋硬碟具有比3.5英吋硬碟更低的每Mb成本。價格競爭力產生差異的原因在於:硬碟製造存在著一種基本成本。此一基本成本來自於硬碟盒(casing)和馬達(motor),但是一旦確定了這項開支,增加碟片尺寸就能夠顯著增加儲存容量,而隨之增加的成本則很少。

NAND儲存元件的成本則基於矽晶片的製造及切割成本。NAND快閃記憶體的單晶片成本比製造任何硬碟的成本都低,這也賦予了NAND快閃記憶體製造商吸引需要小容量非揮發性記憶體應用的能力。但隨著對儲存容量要求的增加,NAND解決方案的成本逐步上升。大容量NAND儲存元件的成本迅速超過相同容量的硬碟解決方案。據目前的估計,兩種元件的成本等價交替點大約為2GB。現在,NAND快閃記憶體供應商正急於將元件投入更先進的製程節點,以降低單位晶片的成本並提高成本等價交替點的密度。

在成本等價交替點,NAND快閃記憶體和硬碟將在密度和成本方面具備可比較性,兩種技術也常在應用中激烈交鋒。

圖2:NAND密度每年以倍數成長,較硬碟密度增加的速度快一倍。

未來的NAND路線發展藍圖顯示,NAND密度將持續每年倍數成長,而且比目前硬碟密度預期成長的速度更快。

硬碟或NAND元件的應用都很廣泛。考慮到每種技術都能夠提供顯著的優勢,多數應用僅會選擇二者中的一種。但是在少數應用中,硬碟和NAND元件會共同使用。

硬碟是PC和錄影設備應用的理想選擇,此類應用需要以低成本實現大容量儲存。雖然三星等NAND公司已經發佈了基於NAND的32GB快閃記憶體,但是基於NAND的記憶體不會馬上在這些領域得到重用。這些大容量的NAND快閃記憶體與硬碟解決方案相較可謂相當昂貴,因此僅可能在某些特定和高階應用中使用。

但是在某些應用中,兩種技術可以互補。可攜式電腦可能採用一種NAND/硬碟的整合儲存方案,在此將NAND快閃記憶體作為快取記憶體使用,這樣可以更長時間地關閉硬碟以降低功耗並增加可靠性。NAND元件還可以用來儲存備份作業系統,以使設備能夠從待機模式直接啟動。

NAND快閃記憶體對數位相機市場的發展功不可沒,雖然高性能照相機會使用硬碟,但是相信硬碟不太可能大規模入侵該領域。手機領域也是快閃記憶體的天下,但傳統上選用的是另一種快閃記憶體形式,即NOR快閃記憶體。手機製造商一直習慣於使用快閃記憶體,既然尺寸大小對這種應用至關重要,那麼製造商很可能會使用NAND快閃記憶體來滿足大容量儲存需求。

媒體記憶體

無論對硬碟還是NAND快閃記憶體而言,行動媒體播放器都是最具吸引力的應用,因為這兩種儲存元件它都可以使用。在多數領域,NAND快閃記憶體控制了MP3播放器75%的市場佔有率;但是對較大容量記憶體的產品(如行動媒體播放器)而言,硬碟則更為合適。事實上,小體積硬碟催生了高密度的行動媒體播放器市場。容量在4到20GB的行動媒體播放器是NAND和硬碟競爭的戰場。NAND快閃記憶體播放器目前的容量達到了4GB,隨著更先進的快閃記憶體元件相繼問世,相信這個數字還會近一步加大。NAND快閃記憶體將逐步吞食高密度播放器市場,至於其是否會主宰該市場,則在某種程度上取決於用戶的取向。如果他們更偏愛儲存容量適中的播放器,如16GB,那麼快閃記憶體將繼續佔主導地位。

隨著媒體播放器逐漸開始整合視訊功能,對密度的需求也在逐漸上升,但是增加的幅度卻取決於所使用的視訊。現在預測可攜式視訊播放器到底偏愛哪種技術還為時尚早。

NAND快閃記憶體和硬碟都已被證明能夠極大提升儲存容量,並可以實現新技術和新應用。整體來說,採用硬碟的應用具有較大的尺寸和大螢幕,功耗相應也較高;而採用NAND快閃記憶體的產品具有體積小、螢幕小、設計穩定等特點,適合對功耗敏感的場合。自然,上述應用會產生重疊,而這些重疊領域正是快閃記憶體和硬碟激烈爭奪市場佔有率的所在。但是這些市場還不足以決定任何一種技術的未來。在可預見的未來,NAND和硬碟仍將大量出貨,雖然看起來NAND快閃記憶體將逐步蠶食硬碟的市場佔有率,但是相信新應用和新技術會為這兩種技術打開新的應用領域之門。

作者:Geoff MacGillivray

   記憶體技術研究經理

   Semiconductor Insights




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