固態(tài)硬盤取代旋轉(zhuǎn)磁盤，難！

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幾年前的固態(tài)硬盤（SSD）還是基于DRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）的，且價(jià)格不菲。近幾年，由于對(duì)防震要求較高的移動(dòng)設(shè)備的激增，為閃存開辟了巨大的市場(chǎng)。在其價(jià)格逐步下降的同時(shí)，由于市場(chǎng)的擴(kuò)大，相關(guān)廠商在研發(fā)投入上也加大了力度，因此，閃存的密度與性能也隨之大幅提高。

這是閃存大發(fā)展的時(shí)期。不過，我想烏云就要飄來(lái)了。這里不妨回顧一下歷史的發(fā)展，以闡明我的觀點(diǎn)。我最早聽說(shuō)磁帶即將消亡是在20多年前，之后，盡管磁帶市場(chǎng)的確日益萎縮，但對(duì)其銷量產(chǎn)生影響的并不是磁盤驅(qū)動(dòng)器本身，而是磁盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)合了新技術(shù)，價(jià)格變得足夠便宜，以及重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)的出現(xiàn)。

因此，現(xiàn)在有一些人認(rèn)為，閃存驅(qū)動(dòng)器最終將會(huì)取代磁盤驅(qū)動(dòng)器；并且兩者的成本差異盡管目前很大，但會(huì)繼續(xù)縮小。廠商們還列出圖表，表明閃存驅(qū)動(dòng)器和磁盤驅(qū)動(dòng)器的成本越來(lái)越接近。而在我看來(lái)，這些圖表就像我在20多年前看到的磁帶和磁盤成本比較圖表，我認(rèn)為，這種情況不會(huì)很快出現(xiàn)，原因與光刻尺寸的極限和磁盤驅(qū)動(dòng)器的密度有關(guān)。

閃存光刻尺寸有極限

對(duì)閃存技術(shù)來(lái)說(shuō)，影響密度的主要因素是用來(lái)制造芯片的光刻的尺寸。下表是1971年以來(lái)光刻尺寸的變化，以及對(duì)2022年之前光刻尺寸的預(yù)測(cè)。

閃存密度的增加主要與光刻尺寸縮小有關(guān)。從表中不難看出，從2002年到2010年的8年間，光刻尺寸幾乎縮小了2/3，這樣就可以在同樣大小的體積中置入更多的元件。但從表中也可以看出，要想使光刻尺寸再縮小2/3，則需要經(jīng)過12年，這也就是說(shuō)，在時(shí)間上比以前要多用50%。這就是為什么如果將閃驅(qū)密度在過去5年的增加情況繪成圖表，就會(huì)發(fā)現(xiàn)其改進(jìn)的步伐其實(shí)是減慢了。

要想將元件做得更小，將面臨著巨大的挑戰(zhàn)。說(shuō)到底，如何運(yùn)用最新技術(shù)來(lái)縮小元件的尺寸是有極限的。閃存密度會(huì)遇到數(shù)據(jù)密度增加的問題，就像其他存儲(chǔ)技術(shù)在過去30年遇到的問題那樣。這應(yīng)該不足為奇。

而對(duì)閃存來(lái)說(shuō)光刻問題不僅限于此。戴爾公司高性能計(jì)算部門企業(yè)技術(shù)專家Jeff Layton指出，隨著光刻尺寸的變小，NAND會(huì)遇到越來(lái)越多的麻煩，如電壓沒有降低，則引起鄰近NAND出現(xiàn)數(shù)據(jù)意外損壞的可能性會(huì)加大。Jeff Layton強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“所以到了某個(gè)時(shí)候，你不可能既縮小了光刻的尺寸，又不出現(xiàn)數(shù)據(jù)損壞問題。”

磁盤的密度也會(huì)增加

我看到的眾多圖表顯示，閃存密度在增加，磁盤驅(qū)動(dòng)器密度卻停滯不前。我們都知道，磁盤驅(qū)動(dòng)器密度的增長(zhǎng)速度已經(jīng)減慢，但我們還是從1TB驅(qū)動(dòng)器發(fā)展到了2TB，據(jù)說(shuō)最快今年就會(huì)出現(xiàn)3TB和4TB驅(qū)動(dòng)器。我們看到，企業(yè)級(jí)2.5英寸驅(qū)動(dòng)器的容量從300GB增加到了600GB。由此看到，雖然閃存密度還會(huì)繼續(xù)增加，但磁盤的密度也會(huì)繼續(xù)增加。

存儲(chǔ)容量的增長(zhǎng)速度往往在經(jīng)歷快速發(fā)展期后會(huì)出現(xiàn)慢速發(fā)展，而之后出現(xiàn)的新技術(shù)將再次促使其快速發(fā)展。我認(rèn)為，許多技術(shù)經(jīng)歷的這個(gè)周期已經(jīng)出現(xiàn)在閃存身上。2007年到2009年的快速發(fā)展期是一條趨勢(shì)線，可用來(lái)預(yù)測(cè)驚人的未來(lái)。取兩三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，繪出一條斜線，即可預(yù)測(cè)出真正驚人的未來(lái)。這對(duì)專家和廠商來(lái)說(shuō)也許行得通，但在實(shí)際情況下往往行不通，至少?gòu)拈L(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看是這樣。

磁盤驅(qū)動(dòng)器的密度會(huì)更高。正如前些年垂直記錄技術(shù)研發(fā)成功后，存儲(chǔ)容量迎來(lái)了快速發(fā)展期一樣，而熱輔助記錄等一些新技術(shù)問世后，將會(huì)上演同樣的一幕。對(duì)于數(shù)據(jù)容量越來(lái)越大的低成本存儲(chǔ)的需求不會(huì)消失，每個(gè)人都有這樣的需求。低成本存儲(chǔ)對(duì)許多需要存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)很重要，這一點(diǎn)無(wú)疑有利于旋轉(zhuǎn)磁盤的應(yīng)用和發(fā)展。如果對(duì)于廉價(jià)存儲(chǔ)的需求不是長(zhǎng)期的需求，那磁帶早就像20多年前預(yù)測(cè)的那樣消亡了。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，磁帶仍比磁盤便宜得多，而磁盤也比閃存便宜得多。這種情況不會(huì)很快發(fā)生變化。

閃存的性價(jià)比并不總是很高

對(duì)小數(shù)據(jù)塊輸入/輸出（讀取的數(shù)據(jù)不到32KB）來(lái)說(shuō)，閃存的性能比磁盤高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。但我們都知道，不是所有閃存的寫入速度都一樣快。有些閃存比磁盤快幾個(gè)數(shù)量級(jí)，有些可能快10倍到20倍，但你得支付大筆費(fèi)用，才能享受這樣的快速度。而問題在于，這果真劃算嗎？

拿Photoshop這樣典型的家用PC應(yīng)用軟件來(lái)說(shuō)。我們都知道，隨著相機(jī)傳感器越來(lái)越大，照片文件的大小也會(huì)增加。幾年前，文件可能只有2MB，如今可能有8MB或更大。讀取典型SATA硬盤上的一個(gè)8MB文件可能用時(shí)0.15秒（包括尋道、等待和讀?。x取閃存上的文件可能用時(shí)0.1秒，具體要取決于閃存的性能。那么，這么小的差異真的很重要嗎？

編輯大型視頻文件又怎樣呢？磁盤驅(qū)動(dòng)器的速度可能是80MBps，而低端閃存可能是100MBps。同樣，它們之間的差別不是很大。真正有區(qū)別的是，編輯軟件所用的元數(shù)據(jù)在閃存上的讀取速度會(huì)快得多?，F(xiàn)在，許多家用PC上有超過500GB的音樂、視頻和照片，對(duì)存儲(chǔ)空間的需求正在迅速加大。而人們不會(huì)為了讓家用PC的性能小幅提升而多花50%的費(fèi)用。

早在上個(gè)世紀(jì)90年代初，我有一個(gè)面向家用PC的磁帶備份系統(tǒng)。盡管這樣的磁帶系統(tǒng)已一去不復(fù)返，但我并不認(rèn)為閃存對(duì)磁盤的影響會(huì)與磁盤當(dāng)初對(duì)磁帶的影響一樣大。閃存技術(shù)不會(huì)以幾乎同樣的成本達(dá)到磁盤的密度，至少近期不會(huì)，它將面臨太多的挑戰(zhàn)。閃存和磁盤肯定會(huì)相互共存，要是閃存廠商沒有認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，就可能失去目標(biāo)市場(chǎng)，因?yàn)榇蟛糠謹(jǐn)?shù)據(jù)需要的是廉價(jià)的大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)，只有少數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合才需要小數(shù)據(jù)塊隨機(jī)輸入/輸出。

我的下一臺(tái)家用PC（用于Photoshop圖片編輯、個(gè)人理財(cái)和長(zhǎng)期存儲(chǔ)）會(huì)是一臺(tái)Windows PC，配備小容量閃驅(qū)，而家用NAS設(shè)備中的四塊2TB磁盤通過萬(wàn)兆以太網(wǎng)連接（至少我希望這樣）。我將會(huì)用閃存來(lái)啟動(dòng)系統(tǒng)、存儲(chǔ)需要Photoshop編輯的臨時(shí)文件；而大容量NAS存儲(chǔ)設(shè)備則用于存儲(chǔ)照片、視頻、音樂和其他一切內(nèi)容。

現(xiàn)在人們需要混合存儲(chǔ)方案。閃存為小文件、小的應(yīng)用程序輸入/輸出請(qǐng)求和交換解決了問題，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過磁盤。不過，閃存在價(jià)格/密度上絕不會(huì)比磁盤有優(yōu)勢(shì)。固態(tài)盤技術(shù)會(huì)給磁盤廠商帶來(lái)重大影響，但單單閃存滿足不了對(duì)存儲(chǔ)密度的需求。不管一些廠商是多么地希望磁盤消亡，磁盤絕不會(huì)消亡。

圖1 英特爾美光IMFT位于美國(guó)猶太州的25nm NAND閃存晶圓廠，采用最新的25nm沉浸式光刻技術(shù)，在300mm晶圓上生產(chǎn)更大容量更小體積的NAND閃存。操作間都是采用倒吸風(fēng)式設(shè)計(jì)，以保證環(huán)境始終保持無(wú)塵，凈化間保持最高的微塵級(jí)別。

圖2 搬運(yùn)和自動(dòng)裝載晶圓的FOUP

圖3 光刻完成的300mm晶圓，雖然單晶圓上的NAND芯片數(shù)量沒變，但25nm技術(shù)使單位面積的容量翻了一倍。