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业界评析:NAND闪存前路坎坷

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业界评析:NAND闪存前路坎坷

作者:hyy(整理) 2007年5月14日

关键字: mini slc apple Vista SSD N-Gage

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前言:

自从苹果推出iPod之后,市场对闪存的需求也如雨后春笋般的大幅增长,除了iPod以外,各种智能型和掌上设备的风行也成为了应用推广方面的强劲动力。不过需求在增长,内存厂商的供应也随之增长,且幅度显得要比市场需求更大。

传统闪存面临应用发展限制

市场的供过于求,让内存厂商面临了相当严重的问题,首先,目前占市场主流的NAND闪存已经是非常成熟的技术,厂商之间互分高下的关键仅在于工艺方面的改进,以求在最小面积内获得最大的存储空间,让晶圆得以充分发挥其经济价值,但是工艺的改善并非毫无止尽,当工艺小到某种程度之后,其生产成本与产量规模将会产生碰撞,无法让利润随之同步增长。

随身影音播放设备是目前NAND闪存消耗量最大的消费性产品

其次,闪存的应用受到了局限,在发展上不易求得突破:除了原先的各种嵌入应用以外,缺乏其它可以激发更多需求的产品。虽然目前闪存朝向大容量高速应用发展,但如果比较容量,单一硬盘容量已经由日立公司抢先达到1TB的高度;讲求速度,高昂的成本使其难以达到普及化的程度,加上先天读写寿命的缺陷,虽然可以透过各种读写逻辑来加以改善,但是就目前而言,闪存仍难有大量增长的机会。也因此,市面上的闪存产品大多是非常熟悉的老面孔,缺乏新应用的动力,也让内存厂商手脚难以伸展。

Vista潮流带来的新应用

Vista为闪存厂商带来了两大市场机会,分别是ReadyBoost以及SSD固态硬盘,然而这两大技术都有其技术与市场应用上的限制……

性价比不佳的ReadyBoost技术

随着微软Vista而来的ReadyBoost技术,被不少闪存厂商视为拓展市场的机会,因为ReadyBoost技术本身是基于SuperFetch技术的,SuperFetch技术通过充分利用主存储器的空间,并且利用智能型算法来预先判断使用者可能会加载的内容,将之载入到原先在XP时代被闲置的预留内存空间中,以此来提升读取速度。而ReadyBoost则是利用诸如U盘等外部存储装置,来放置原先必须直接加载到内存空间的预取文件,换言之,就是在硬盘与内存之间建立一个缓冲空间,毕竟内存容量的限制,无法加载太多预取数据,否则可能会影响到正常运行所需要的I/O效率。

ReadyBoost的原理是利用闪存的寻址速度(0.8ms),在存取小文件时比硬盘虚拟内存速度更快

不少用户感到困惑,U盘速度最多只有一般硬盘的30%左右,加入缓冲到机制当中,是不是反而会拖累系统性能?不过Vista主要是利用U盘极为短暂的随机存取延迟,将小区块的零碎文件预先加载到U盘当中,避免硬盘在搜寻这些零碎文件时会耗费过多的时间,此技术多用在笔记本平台上。不过在实际应用时,ReadyBoost在小容量内存(比如说512MB)的系统中会有比较明显的加速效果,而当主存储器超过1GB以上,其效率增长也会成等比级数下降,当内存达到2GB以上时,其加速效果已经微乎其微。而且随着应用的不同,必须读取存储空间连续的大容量影音或图形文件时(如影像处理),ReadyBoost也将不具备任何加速效果。

ReadyBoost:Vista的特色之一

如果Vista赶在去年底DRAM价格高昂时推出,那么ReadyBoost或许是个相当不错的应用机会,但是2007年内存价格崩盘,DRAM价格平均大跌50%以上,目前1GB DDR2内存已经不足300元。因此对消费者而言,与其外接一个作用不明显的外部存储装置,不如用类似的价钱升级内建的内存,性能提升效果还要更为明显。ReadyBoost的构想非常不错,只可惜生不逢时。

虽然ReadyBoost有这些劣势存在,但是英特尔(Intel)仍积极将ReadyBoost导入其下一代的Centrino(迅驰)平台中,通过系统总线直接连接容量不等的闪存做为内建加速存储器之用,可免除传统USB带宽低、占用系统资源高且需与其它外设共享资源的问题,相信可以进一步提升此技术的实用性。不过以Intel过去的平台发展经验来看,这些闪存需求其它厂商将很难加以染指。

过于昂贵导致竞争力缺乏的SSD

SSD固态盘是近两年来的新事物,虽然跟Vista的推出并无直接关连,但是其在UMPC(Ultra-Mobile PC,超便携PC)中采用的比例非常高,而近来采用Vista为操作系统的UMPC产品有逐渐增加的趋势,为了平衡Vista在系统性能与功耗方面的弱势,加上UMPC本身就是高成本高利润产品,采用SSD做为存储媒体也将成为势之所趋。

由于SSD存储装置不需要机械结构,因此几乎不存在所谓的随机读取延迟问题,但是其持续读写效率顶多也只能和传统硬盘打平,这是由于采用闪存的SSD依旧是利用传统区块写入/抹除的方式,在此方面的效率改善非常依赖读写策略的设计。其次,SSD依然会受限于传统硬盘接口或总线的传输速度,因此在大流量传输方面并不会比传统硬盘更占优势。

STEC的512GB SDD,可以说容量已经不是最大的障碍,但是每GB 10美元的价格仍然令大多数用户无法接受

其次,截至目前为止,SSD依然无法突破成本限制,每1bit存储单位成本过高,使其可用容量增长速度缓慢,虽然目前已经有厂商推出容量高达512GB的产品,但以目前每GB约10美元的价格比例来看,该产品价格可能要高达5,000美元(约合人民币38340元)以上,同等容量的硬盘仅需不到200美元(约合人民币1530元),价差过于悬殊。而固态硬盘的可靠性也是最被质疑的一点,传统硬盘虽然机械结构相对容易损坏,但其数据存储媒体本身不大会受到损害,因此即使是电路板或者是马达损坏,依然可以通过专业服务救回数据。至于SSD,虽然没有机械结构,相比之下硬件本身的可靠性要更高,但是闪存本身有物理读写寿命限制,而且万一特定读写区块损坏,存储于其上的数据将彻底消失,无法通过任何手段还原。

追求MLC化的NAND闪存

由于闪存的大量应用在消费性产品之中,这些消费性产品往往都对价格非常敏感,消费者在选择产品时,除非有特定的品牌取向,否则几乎都是以价格来做为选择产品的依据,在诸如MP3随身听、PMP 之类的产品之中,闪存更是左右了产品价格。

最常被应用于消费性电子产品的NAND闪存依存储结构的不同,通常可分为两类,一般最常看到的类别就是SLC产品,即Single Level Cell(单级单元)结构,在单一晶体管中可以存储1个bit的数据,而另一类MLC(Multi Leveled Cell,多级单元)则是利用多种不同电压的控制,让单一晶体管可以存储2个bit以上的数据。虽然MLC结构存在有非常多的缺点,比如说寿命短、速度慢、控制芯片成熟度不足等等,但是其最大的优势是可以大幅增加闪存的可存储容量,目前主流的MP3随身听多已经采用MLC结构NAND闪存,虽然理论寿命短,但是仍可满足在产品使用年限(3∼5年)内仍可正常读写数据的基本要求。对于容量与成本非常敏感的消费性产品而言,高容量表现这个优点是MLC技术足以让厂商忽视其它缺点的最大本钱。

虽然目前追求高可靠性的SSD或U盘、记忆卡产品仍多使用SLC结构,但这也是MLC的问题症结点,毕竟以目前的技术而言,近期之内仍无法大幅改善MLC NAND的可靠性,不过纯NAND的发展已经接近极限,不论是SLC或者是MLC,其可发展空间已经不会太大。

下一代闪存短期难接手

目前最热门的接手人选应该是由Intel所主导的PCRAM(Phase-Change RAM,相变内存),由于业界支持厂商众多,各大半导体厂商均将PCRAM的发展列入重点计划,深怕在下一代闪存战场中落后于竞争对手,虽然PCRAM理论特性相当出色,但是其生产技术非常复杂,加上造成及还原结晶状态所需的温度需要高达600℃,且不能影响到邻近存储单元的状态,技术难度非常高,因此其商用化的步调也越走越慢。

除了PCRAM以外,还有FeRAM((Ferroelectric RAM,铁电内存)、MRAM(Magnetoresistive RAM,磁性内存)以及polymer  Memory(聚合体内存),这些内存同样都面临了实际生产上的挑战。PCRAM、FeRAM、MRAM以及polymer内存这些号称下一代闪存都不约而同的在数年前宣称自己是闪存的接班人,甚至能够取代随机存取内存的地位,但是随着时间的流逝,理论技术依然维持其理论的定位,反而目前的闪存以及随机存取内存都以各种形式不断的延续其生命周期,这么一来,当半导体厂商还能依靠旧产品获利时,对于推行新产品的意愿就不会那么高,毕竟新产品要新的生产设备以及生产技术,而这些都需要花费大笔的成本。

下一代闪存的前景尚未明朗,不同技术阵营也都面临着程度不同的难题,没有任何一家内存业者能够完全确认自己的技术可以在市场上独当一面。在此状况之下,贸然在新技术投下太多的资金并非明智的行为。更具讽刺意义的是,老旧的闪存技术在半导体工艺以及封装技术不断翻新之下,依然有着相当不错的获利前景。由此看来,下一代的闪存技术的最大竞争者并不是PCRAM、FeRAM、MRAM以及polymer本身,反而是“老不死”的NAND闪存。而某些研究机构也指出,目前通行的闪存基础架构仍将维持十年以上。

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