结合硬盘与Flash影像储存优势之复合式技术探讨

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  包括可携式媒体播放器、录像机、以及电视等越来越多的应用,内建时间平移功能,不断带动容量更大、成本更低的储存需求。硬盘与闪存的储存密度持续攀高,让产品快速地成功扩展出更多消费者。
  某个角度来看,硬盘与闪存技术似乎是直接相互竞争,闪存希望以DVD取代VHS录像带的模式来挑战硬盘的地位。闪存提供超越硬盘的高速存取以及可靠度。硬盘则运用商品化系统,结合磁性储存与旋转盘片,相较于闪存的固态非挥发性内存,不含任何会移动的零组件,把小量的电荷储存在半导体晶体管结构中。但工程师并没有受限于仅能使用单一技术。事实上,在许多应用中混合运用两种技术,更能同时发挥两者的长处。
  
  市场动能
  
  闪存目前已累积可观的市场动能,因为它成功整合至各种移动多媒体装置,这些产品采用两种主要非挥发性储存媒体: NAND Flash与硬盘机。硬盘持续主宰高容量市场,但NAND Flash市场的增长相当惊人。由于NAND组件密度每年增加一倍,反观硬盘的密度每两年才增加一倍,故Flash持续侵蚀以往仅能使用硬盘的应用产品市场。
  包括操作系统、应用程序、以及多媒体内容对于储存的需求,持续促使厂商推出高成本效益的容量,决定采用何种储存技术的主要考虑,取决于消费者对于增加储存容量的需求,是否会超越闪存的价格/效能比 “甜蜜点”。随着闪存的版图持续扩展至各种低储存容量应用,这项技术还须经过很长的时间才能消弭和硬盘之间的容量差距。
  在高容量应用方面,闪存在近期内并不会取代旋转盘片的储存媒体。同样的,除非影片应用完全从手机转移可携式媒体播放器,硬盘将永远无法抢进手机市场。当闪存能以合理的价位,提供足够的储存容量来支持一个主流操作系统与各种商业软件,工程师们就会面临困难的选择。闪存现今已能提供这样的容量,但价格比硬盘高出10~20倍,因此目前还无法构成真正的威胁。
  
  影片储存
  
  多媒体储存与编辑,以往都是硬盘主宰的市场。容量与速度都较高的硬盘,相当适合影片编辑或影像编辑的市场。情况是否如此?
  采用快闪组件的储存系统不仅更安静、可移植性极高,而且由于没有移动零组件,因此不必担心摔落或遗失数据,没有储存碟可运作的机率非常低。最大的好处是,从快闪碟读取大量多媒体档案的速度远胜过硬盘(请看上图1)。
  


  目前容量的问题还是存在,但64 gigabyte的闪存现已问市,让使用者能以RAW格式储存2500张8MP的相片,这是非常可观的数量。在影片容量方面,12Mbps (5.4GB/hr)流量的HD格式高画质影片,一片64 Gigabyte快闪记忆卡约能储存约11个小时的影片。纯就容量而言,硬盘是赢家,但论及更快的写入速度,闪存是更优异的替代方案。
  
  容量与读取速度
  
  硬盘技术仍旧在这场竞赛中保持领先。在2006年9月,日立展示一款硬盘,内含345 Gbits/平方英寸的磁录密度与垂直记录技术,比现今最高容量硬盘的磁录密度高2.5倍。日立公司预估硬盘制造商将能藉此制造出2TB容量的3.5英寸硬盘,以及400GB容量的2.5英寸硬盘。甚至1.8英寸硬盘也能达到200GB的容量。
  闪存是否能达到这么高的容量,甚至超越呢?答案决定于闪存制造商多快能克服目前NAND浮动闸的限制。若依照目前的趋势,闪存得花非常长的时间才能赶上目前高容量硬盘,像是日立的1TB 3.5英寸硬盘。
  
  MLC NAND 技术
  
  快闪技术持续演进,在容量方面推出了多层单元技术,也就是所谓的MLC。以往SLC(单层单元)NAND每个单元储存一个位,MLC则是在每个单元内储存两个位,故能达到更高的容量。不幸的是,每个单元储存两个位,须牺牲内存的可靠性与耐用度。
  储存两个位的数据,是指需要严格的ECC(错误-校正码)机制,目前每512字节的数据使用4位的ECC,并正扩充至16/32位ECC。藉由把位置放得更紧密,一个单元内的“1”与“0”大约只相距200个电子,意谓系统极需要ECC检查机制。
  对于MLC这种NAND闪存而言,更大的冲击是可靠度。由于SLC闪存单元中只有两种状态,不是“1”就是“0”,而MLC则有四种可能状态“00”、“01”、“10”、以及“11”,MLC NAND必须消耗更多的电力来管理运作时的电荷。如此一来编程与删除的周期上限就会降低。SLC的编程/删除周期约为10万次,MLC则只有1万次。
  所以闪存的优势在哪里? NAND Flash在效能方面,提供比硬盘更快的读取访问时间,加上没有移动的零组件,因此具备更好的耐震度,这些特性对于移动装置与其他使用电池的产品尤其重要,消费者在选择这类产品时特别注重速度与强固性。
  
  写入速度
  
  快闪碟的缺点之一就是其写入数据的效能,比硬盘的写入速度来得慢。以下比较搭载Cypress AT2LP的日立硬盘,以及San Disk Cruzer 512mb快闪碟,在戴尔D820笔电中,执行Laptop Performance Test 6.1 Suite测试程序。
  两种储存碟的读取速度差异相当大:从NAND快闪碟读出数据,速度比5400rpm的硬盘几乎快10倍。但快闪碟与硬盘两者写入速度的比较,情况就截然不同,硬盘写入数据的速度比快闪碟快了10倍(如下图2):
  


  考虑读取与写入的差异,很明显看出在许多应用中,应结合这些技术,建构出复合式储存碟。例如,从闪存启动应用,相较于从标准硬盘加载,能获得更快的启动时间与更低的耗电量。在加载操作系统后,硬盘就作为主要储存媒体。这种特性的复合式硬盘已被许多PC与硬盘制造商采纳,未来将有更多应用仿效。
  闪存与硬盘技术为工程师与消费者提供许多重要的优点。复合式方案结合这两种技术,融合高容量与高速读取与数据的稳定完整,为各式各样的多媒体与其他应用带来更高的效能与省电效率。
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