[精品]存儲介質(zhì)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1、存儲介質(zhì)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢摘 要 信息的存儲在整個信息處理系統(tǒng)中都占有至關(guān)重要的地位。本文在分析 了主流存儲介質(zhì)及其存儲原理的基礎(chǔ)上，主要討論了目前較為流行的閃存這一存 儲介質(zhì)的發(fā)展和原理，并對nor型和nand型閃存做以比較，同時淺略描述了 對未來存儲介質(zhì)的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞 存儲介質(zhì) 閃存 nor結(jié)構(gòu)nand結(jié)構(gòu)引言信息的存儲在整個信息處理系統(tǒng)屮都占有至關(guān)重要的地位。從計算機誕生 之口起過去的60多年里，駛盤驅(qū)動器（hdd）直是存儲系統(tǒng)領(lǐng)銜者。在這個新技 術(shù)層出不窮的時代，一些老的存儲介質(zhì)如軟盤，出于技術(shù)等方面的原因逐漸淡出, 一些新的存儲介質(zhì)如閃存flash memory固態(tài)存儲盤sdd以及光

2、盤存儲技術(shù)迅速 發(fā)展起來，增加了未來信息儲存的多樣化。目前主流存儲介質(zhì)分為三大類：半導體存儲、磁介質(zhì)存儲以及光介質(zhì)存儲。 其中，半導體存儲乂可分為易失性存儲ram與非易失性存儲nvmo其儲存原理 結(jié)構(gòu)如下。雙極型：易失性存儲器ram靜態(tài)sr4m 動態(tài)dram半導體存儲器掩膜rom一次性可編程prom 非易失性存儲器nvm紫外線可擦除eprom電可擦除e2prom快閃存儲器flash磁介質(zhì)存儲器 磁帶、軟磁盤、磁盤（d4/m/q）光介質(zhì)存儲器 只讀型、一次寫入型、多次寫入型其中，雙極型存取速度快，但集成度低，一般用于大型計算機或高速微機的 cache；靜態(tài)sram速度較快，集成度較低，一般用于對

3、速度耍求高、而容量不 大的場合（例如cache）；動態(tài)dram集成度較高但存取速度較低，一般用于需 較大容量的場合（例如主存）；特別是閃存（flash）,它作為一種良好的非 易失性存儲方案，已成為各類移動存儲設(shè)備（如mp3/mp4、數(shù)碼相機、常上電 腦等）最核心的部件z-o目前，隨著閃存（flash）芯片功耗更低、重量更 輕、容量越來越大，價格不斷下降，閃存（flash）將在更多領(lǐng)域上獲得應(yīng)用, 甚至在一定程度上取代碩盤驅(qū)動器。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，人類要處理的信息量與h俱增，就必然要求存儲 介質(zhì)具有更高信息存儲密度、更快響應(yīng)速度、以及更高的安全性與穩(wěn)定性。閃存 和其它存儲介質(zhì)如何作出適應(yīng)性

4、的發(fā)展，新興存儲介質(zhì)能否得到進一步應(yīng)用會成為未來信息存儲討論的重點o一、閃存(flash memory)1.1閃存的發(fā)展在1984年，東芝公司的fujio masuoka首先提出了快速閃存存儲器的概念。閃 存的特點是非易失性，其記錄速度也非?？?，體積很小，重量極輕，抗震性能 極強。另外，閃存盤還具冇防潮防磁，耐高低溫（4（tc + 70 c）等特性，安全 可靠性很高。intel是第一個生產(chǎn)閃存并將其投放市場的公司。19m年，公司推出 了一款256kbit閃存芯片o intel發(fā)明的這類閃存被統(tǒng)稱為nor閃存。第二種閃存 稱為nand閃存，它由h立公司于1989年研制，并被認為是nor閃存的理想

5、替 代。它們之間的區(qū)別與比較將在后面討論。1.2閃存的工作原理閃存是一種長壽命的非易失性（在斷電情況下仍能保持所存儲的數(shù)據(jù)信息） 的存儲器。數(shù)據(jù)刪除不是以單個的字節(jié)為單位，而是以固定的區(qū)塊為單位，區(qū)塊 大小一般為256 kb20 mbo閃存實際上是電可擦除只讀存儲器（eeprom）的變種。eeprom一般mos 閘極和通道的間隔為氧化層之絕緣，而閃存的特色是在控制門與通道間多了一 層稱為“浮閘”或“浮點門”的物質(zhì)。浮點門只能通過控制門連接到字元線。 這就使得閃存可快速完成讀、寫、擦除等三種基本操作模式；就算在不提供電 源給存儲的環(huán)境下，也能透過此浮閘，來保持數(shù)據(jù)的完整性。閃存陣列采用內(nèi)部閉合電

6、路，這樣不僅使電子區(qū)能夠作用于整個芯片，還 可以預先設(shè)定“區(qū)塊”（如128kb）,這些區(qū)塊是閃存器件中最小的可擦除實體。 擦除一個區(qū)塊就是把所有的位設(shè)置為“1”。在設(shè)定區(qū)塊的同吋就將芯片中的目 標區(qū)域擦除干凈，以備重新寫入°傳統(tǒng)的eeprom芯片每次只能擦除一個字節(jié), 而閃存每次可擦寫一塊或整個芯片。因此，閃存效率遠遠高于傳統(tǒng)的eepromo閃存通常被用來保存設(shè)置信息，其存儲特性相當于碩盤，這項特性正是閃存 得以成為各類便攜型數(shù)字設(shè)備的存儲介質(zhì)的基礎(chǔ)如在電腦的bios、pda、數(shù)碼 相機中保存資料等。另一方面，閃存不像ram 樣以字節(jié)為單位改寫數(shù)據(jù)，因 此不能取代ramo1.3閃存的

7、分類及比較131分類nor （或非門）和nand （與非門）結(jié)構(gòu)的閃存是現(xiàn)在市場上兩種主要的菲 易失閃存。nor型與nand型閃存的區(qū)別很大。nor型閃存更像內(nèi)存，有獨立的地址線和數(shù)據(jù)線，但價格比較貴，容量 比較??；nor的傳輸效率很高，在1-4 mb的小容量時具有很高的成本效益，但 是較低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。因此，nor型閃存比較適合頻 繁隨機讀寫的場合，通常用于存儲程序代碼并直接在閃存內(nèi)運行，手機就 是使用nor型閃存的大戶，所以手機的“內(nèi)存”容量通常不大；而nand型更像硬盤，地址線和數(shù)據(jù)線是共用的i/o線，類似硬盤的所 有信息都通過一條碩盤線傳送一般，而hnand型與n

8、or型閃存相比，能提 供極高的單元密度，可以達到高存儲密度，寫入和擦除的速度也很快，容量大、 芯片面積小、單元密度高、擦除速度快、成本低等特點也是所有u盤都使用nand 閃存作為存儲介質(zhì)的原因。應(yīng)用nand閃存的困難在于需要特殊的系統(tǒng)接口。1.3.2 n0r型和nand型閃存的比較（1）性能比較閃存是非易失內(nèi)存，可以對內(nèi)存單元塊進行擦寫和再編程。任何閃存器件的 寫入操作只能在空的或已擦除的單元內(nèi)進行，所以大多數(shù)情況下，在進行寫入操 作之前必須先執(zhí)行擦除。nand器件執(zhí)行擦除操作是i分簡單的，而nor器件則 要求在進行擦除前先要將廿標塊內(nèi)所冇的位都寫為0。擦除nor器件時是以64 128kb的塊

9、進行的，執(zhí)行一個寫入/擦除操作的時間為5 s；擦除nand器件是以 832 kb的塊進行的，執(zhí)行相同的操作最多只需要4 ms。執(zhí)行擦除時塊尺寸的不 同進一步拉大了nor和nand之間的性能差距。統(tǒng)計表明，對于給定的一套寫入 操作（尤其是更新小文件吋），更多的擦除操作必須在基于nor的單元屮進行。這樣，當選擇存儲解決方案時，設(shè)計師必須權(quán)衡以下的各項因索：%1 nor的讀速度比nand稍快一些；%1 nand的寫入速度比nor，快很多；%1 nand的4 ms擦除速度遠比nor的5 s快,大多數(shù)寫入操作需要先進行擦除 操作；%1 nand的擦除單元更小，相應(yīng)的擦除電路更少。（2）接口差別nor閃存

10、帶冇sram接口，冇足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其 內(nèi)部的每一個字節(jié)。nand閃存使用復雜的1/01來吊行地存取資料，各個產(chǎn)品 或廠商的方法可能各不相同。8個引腳用來傳送控制、地址和資料信息。nand 讀和寫操作采用512字節(jié)的塊，這一點有點像碩盤管理中的此類操作。很自然地, 基于nand的閃存就可以取代硬盤或其他塊設(shè)備。（3）容量和成本nand閃存的單元尺寸幾乎是nor閃存的一半，生產(chǎn)過程更為簡單，nand 結(jié)構(gòu)可以在給定的模具尺寸內(nèi)提供更高的容量，也就相應(yīng)地降低了價格。nor 占有容量為116 mb閃存市場的大部分，而nand閃存只是存在于8 mb以上的 產(chǎn)品當屮，這也說明nor

11、主要應(yīng)用在代碼存儲介質(zhì)中，nand適合于資料存儲， nand在compact flash （小型閃存）、secore digital、pc caxds 和mmc 存儲 卡市場上所占份額最大。（4）可靠性采用閃存介質(zhì)吋，一個需要重點考慮的問題是可靠性。對于需要擴展mtbf 的系統(tǒng)來說，閃存是非常合適的存儲方案?？梢詮膲勖陀眯裕?、位交換和壞 塊處理三個方面來比較nor和nand的可靠性。%1 壽命（耐用性）。在nor閃存中，每個塊的最大擦寫次數(shù)是100萬次，而 nor的擦寫次數(shù)是10萬次。nand內(nèi)存除了具有10 ： 1的塊擦除周期優(yōu)勢，典型 的nand塊尺寸是nor器件的1/8,每個nand

12、內(nèi)存塊在給定的吋間內(nèi)的刪除次 數(shù)要少。%1 位交換。所有閃存器件都受位交換現(xiàn)象的困擾。在某些情況h （很少見， nand發(fā)生的次數(shù)要比nor多）,一個比特位會發(fā)生反轉(zhuǎn)或被報告反轉(zhuǎn)了。一位 的變化可能不明顯，但是如果發(fā)生在一個關(guān)鍵文件上，這個小小的故障可能導致 系統(tǒng)停機。如果只是報告有問題，多讀兒次就可能解決。但是，如果這個位真的 改變了，就必須采用錯誤探測/錯誤糾正（edc/ecc）算法。位反轉(zhuǎn)的問題更 多見于nand閃存，nand的供貨商建議使用nand閃存的時候，同時使用 edc/ecc算法。這個問題在用nand存儲多媒體信息時倒不是致命的。但是， 如果用本地存儲設(shè)備來存儲操作系統(tǒng)、配置文

13、件或英他敏感信息時，必須使用 edczecc系統(tǒng)以確?？煽啃浴?1 壞塊處理。nand器件屮的壞塊是隨機分布的。以前也曾有過消除壞塊的 努力，但發(fā)現(xiàn)成品率太低，代價太高，根木不劃算。nand器件需要對介質(zhì)進行 初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊，并將壞塊標記為不口j用。在已制成的器件中，如果不能 通過可靠的方法不能進行這項處理，將導致高故障率。（5）易于使用可以非常直接地使用基于nor的閃存，可以像其它內(nèi)存那樣連接，并可以 在上而直接運行代碼。由于需耍i/o接口，nand要復雜得多。各種nand器件 的存取方法因廠家而異。在使用nand器件時，必須先寫入張動程序，才能繼續(xù) 執(zhí)行其他操作。向nand器件寫入信

14、息是需要技巧的，因為設(shè)計師絕不能向壞塊 寫入，這就意味著在nand器件上自始至終都必須進行虛擬映像。1.3.3閃存的應(yīng)用閃存是存儲電子信息的存儲器，一般應(yīng)用在數(shù)碼相機、掌上電腦、mp3等小 型數(shù)碼產(chǎn)甜屮作為存儲介質(zhì)，樣子小巧，有如一張卡片，所以也稱之為閃存卡。 根據(jù)不同的生產(chǎn)廠商和不同的應(yīng)用，閃存卡大致冇卩盤（閃存盤）、smart media（ sm卡）、compact flash（ cf p） multimedia card（mmc secure digital （sd卡）、memory stick（記憶棒）、xd - p icture card（ xd卡）和微硬盤（m icrod rive

15、）,容量也發(fā)展到現(xiàn)在超過250gb0這些閃存卡雖然外觀、規(guī)格不同，但是技 術(shù)原理都是相同的。其它主流存儲介質(zhì)發(fā)展1. 硬盤hd的發(fā)展ibm于1956年9月推出了第一個磁盤系統(tǒng)ibm 350 ramac,用到50個直徑 為24英寸的盤片，而僅冇5mb的存儲容量。1968年，ibm又開發(fā)出了利用稱為 "winchester"（溫徹斯特）技術(shù)的硬盤。該技術(shù)的原理是采用密封盤體包裹可高 速旋傳的覆蓋記錄涂層的盤片，磁頭懸浮于盤片上方，可沿盤片的徑向移動, 但不與盤片接觸。1973年采用該技術(shù)制造的碩盤ibm 3340結(jié)構(gòu)與今天使用的碩 盤已經(jīng)非常類似了。到了20世紀80年代，薄膜磁

16、頭技術(shù)的出現(xiàn)使得存儲密度突破 t 10mbit / inch2;上世紀90年代和21世紀初，硬盤技術(shù)進入了加速發(fā)展時期, 磁阻磁頭、巨磁阻磁頭和afc（反鐵磁性耦合）存儲介質(zhì)的相繼出現(xiàn)，使得硬盤容 量幾乎以每年100%的速度增長，3.5英寸磁盤成為主流，轉(zhuǎn)速上升到15000rpm /m,單碟容量達到了驚人的640gb,垂直記錄技術(shù)的出現(xiàn)更使碩盤容量突破了 ltbo2. 光盤的發(fā)展光盤是用極薄的鋁質(zhì)或金質(zhì)咅膜加上聚氯乙烯塑料保護層制作而成的。它的 工作原理是改變存儲單元的某種性質(zhì)如反射率、反射光極化方向等，利用這種性 質(zhì)的改變來存儲二進制數(shù)據(jù)。具體說，首先將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二進制，然后用激光將 數(shù)據(jù)模

17、式灼刻在扁平的、具有反射能力的盤片上。1972年9月5f1,荷蘭philips公司展示了命名為lv（laser vision）光盤系統(tǒng)， 1982年philips公司和sony公司成功地推出了cdda（compact disc-digital audio） 盤，1985年philips公司和sony公司開始將cd-da技術(shù)用于計算機的外圍存儲設(shè) 備，就岀現(xiàn)了cd-romo 1995年9刀dvd（開始稱digital video disk數(shù)字視頻光盤, 后擴展為digital versatile disk數(shù)字多用途光盤）聯(lián)盟正式成立。dvd采用mpeg 2的壓縮技術(shù)來儲存影像，是比cd更先進、容

18、量更大的新一代光盤儲存技術(shù)， 容量從cd的約700mb擴大到單面單層的4.7gb,雙面雙層達到17gb。而21世紀 初出現(xiàn)的藍光blu-ray disc更是將光盤容量捉高到了 100gb或更高。光盤的種類也 變得豐富，有cd、cdda、vcd、cdr、cd-rw> dvd、mo磁光盤等。三、存儲介質(zhì)發(fā)展趨勢首先，硬盤經(jīng)過50多年發(fā)展，在信息存儲領(lǐng)域中占據(jù)重要的地位，并在未來 數(shù)據(jù)存儲屮述將占有重要地位。主流市場上，采用垂直記錄技術(shù)的硬盤容量已經(jīng) 突破了 1tb,沖向更高容量，新技術(shù)的出現(xiàn)保證了hdd（硬盤驅(qū)動器）充滿活力?；陂W存的存儲介質(zhì)，特別是采用flash memory的ssd （固態(tài)存儲盤）以其 快速的數(shù)據(jù)存取速度、經(jīng)久耐用防震抗摔、低噪音的特性，以及相對于常規(guī)硬盤 較輕的重量越來越受到關(guān)注。這種ssd固