存储介质现状与发展趋势

存储介质现状与发展趋势 摘 要 信息的存储在整个信息处理系统中都占有至关重要的地位。本文在分析了主流存储介质及其存储原理的基础上，主要讨论了目前较为流行的闪存这一存储介质的发展和原理，并对NOR型和NAND型闪存做以比较，同时浅略描述了对未来存储介质的发展趋势。

关键词 存储介质 闪存 NOR结构 NAND结构

引 言 信息的存储在整个信息处理系统中都占有至关重要的地位。从计算机诞生之日起过去的60多年里，硬盘驱动器(HDD)一直是存储系统领衔者。在这个新技术层出不穷的时代，一些老的存储介质如软盘，由于技术等方面的原因逐渐淡出，一些新的存储介质如闪存Flash Memory、固态存储盘SDD以及光盘存储技术迅速发展起来，增加了未来信息储存的多样化。 目前主流存储介质分为三大类：半导体存储、磁介质存储以及光介质存储。其中，半导体存储又可分为易失性存储RAM与非易失性存储NVM。其储存原理结构如下。

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写入型 型、一次写入型、多次光介质存储器 只读、软磁盘、硬磁盘磁介质存储器 磁带快闪存储器电可擦除紫外线可擦除一次性可编程掩膜非易失性存储器动态静态型双极型：易失性存储器半导体存储器RAIDDAFLASHPROMEEPROMPROMROMNVMDRAMSRAMMOSRAM/2 其中，双极型存取速度快，但集成度低，一般用于大型计算机或高速微机的Cache；静态SRAM速度较快，集成度较低，一般用于对速度要求高、而容量不大的场合（例如Cache）；动态DRAM集成度较高但存取速度较低，一般用于需较大容量的场合（例如主存）；特别是闪存（FLASH），它作为一种良好的非易失性存储方案，已成为各类移动存储设备（如MP3/MP4、数码相机、掌上电脑等）最核心的部件之一。目前，随着闪存（FLASH）芯片功耗更低、重量更轻、容量越来越大，价格不断下降，闪存（FLASH）将在更多领域上获得应用，甚至在一定程度上取代硬盘驱动器。 随着信息技术的飞速发展，人类要处理的信息量与日俱增，就必然要求存储介质具有更高信息存储密度、更快响应速度、以及更高的安全性与稳定性。闪存和其它存储介质如何作出适应性的发展，新兴存储介质能否得到进一步应用会成为未来信息存储讨论的重点。 一、闪存(Flash Memory) 1.1 闪存的发展 在1984年, 东芝公司的Fujio Masuoka首先提出了快速闪存存储器的概念。闪存的特点是非易失性, 其记录速度也非常快, 体积很小, 重量极轻, 抗震性能极强。另外, 闪存盘还具有防潮防磁, 耐高低温( - 40。C ~ + 70。C)等特性, 安全可靠性很高。Intel是第一个生产闪存并将其投放市场的公司。1988年, 公司推出了一款256K bit闪存芯片。Intel发明的这类闪存被统称为NOR闪存。第二种闪存称为NAND闪存, 它由日立公司于1989年研制, 并被认为是NOR闪存的理想替代。它们之间的区别与比较将在后面讨论。

1.2 闪存的工作原理 闪存是一种长寿命的非易失性（在断电情况下仍能保持所存储的数据信息）的存储器。数据删除不是以单个的字节为单位，而是以固定的区块为单位，区块大小一般为256 KB～20 MB。 闪存实际上是电可擦除只读存储器（EEPROM）的变种。EEPROM一般MOS闸极和通道的间隔为氧化层之绝缘, 而闪存的特色是在控制门与通道间多了一层称为“浮闸”或 “浮点门”的物质。浮点门只能通过控制门连接到字元线。这就使得闪存可快速完成读、写、擦除等三种基本操作模式； 就算在不提供电源给存储的环境下, 也能透过此浮闸, 来保持数据的完整性。 闪存阵列采用内部闭合电路, 这样不仅使电子区能够作用于整个芯片, 还可以预先设定“区块”(如128KB) , 这些区块是闪存器件中最小的可擦除实体。擦除一个区块就是把所有的位设置为“1”。在设定区块的同时就将芯片中的目标区域擦除干净, 以备重新写入。传统的EEPROM 芯片每次只能擦除一个字节, 而闪存每次可擦写一块或整个芯片。因此，闪存效率远远高于传统的EEPROM。 闪存通常被用来保存设置信息，其存储特性相当于硬盘，这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础如在电脑的BIOS、PDA、数码相机中保存资料等。另一方面，闪存不像RAM 一样以字节为单位改写数据，因此不能取代RAM。

1.3 闪存的分类及比较 1.3.1 分类 NOR（或非门）和NAND（与非门）结构的闪存是现在市场上两种主要的非易失闪存。NOR型与NAND型闪存的区别很大。 NOR型闪存更像内存，有独立的地址线和数据线，但价格比较贵，容量比较小；NOR的传输效率很高，在l～4 MB的小容量时具有很高的成本效益，但是较低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。因此，NOR型闪存比较适合频繁随机读写的场合，通常用于存储程序代码并直接在闪存内运行，手机就是使用NOR型闪存的大户，所以手机的“内存”容量通常不大； 而NAND型更像硬盘，地址线和数据线是共用的I/O线，类似硬盘的所有信息都通过一条硬盘线传送一般，而且NAND型与NOR型闪存相比，能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，写入和擦除的速度也很快，容量大、芯片面积小、单元密度高、擦除速度快、成本低等特点也是所有U 盘都使用NAND闪存作为存储介质的原因。应用NAND闪存的困难在于需要特殊的系统接口。

1.3.2 NOR型和NAND型闪存的比较 (1) 性能比较 闪存是非易失内存，可以对内存单元块进行擦写和再编程。任何闪存器件的写入操作只能在空的或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操 作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR器件则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。擦除NOR器件时是以64～ 128KB的块进行的，执行一个写入/ 擦除操作的时间为5 s；擦除NAND器件是以8～32 KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4 ms。执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NAND之间的性能差距。统计表明，对于给定的一套写入操作（尤其是更新小文件时），更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。 这样，当选择存储解决方案时，设计师必须权衡以下的各项因素： ①NOR的读速度比NAND稍快一些； ②NAND的写入速度比NOR快很多； ③NAND的4 ms擦除速度远比NOR的5 s快，大多数写入操作需要先进行擦除操作； ④NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。

(2) 接口差别 NOR闪存带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节。NAND闪存使用复杂的I/O口来串行地存取资料，各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚用来传送控制、地址和资料信息。NAND读和写操作采用512字节的块，这一点有点像硬盘管理中的此类操作。很自然地，基于NAND的闪存就可以取代硬盘或其他块设备。

(3) 容量和成本 NAND闪存的单元尺寸几乎是NOR闪存的一半，生产过程更为简单，NAND 结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了价格。NOR占有容量为1～16 MB 闪存市场的大部分，而NAND闪存只是存在于8 MB 以上的产品当中，这也说明NOR主要应用在代码存储介质中，NAND适合于资料存储，NAND在Compact FLASH（小型闪存）、Secore Digital、PC Caxds 和MMC 存储卡市场上所占份额最大。

(4) 可靠性 采用闪存介质时，一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF 的系统来说，闪存是非常合适的存储方案。可以从寿命（耐用性）、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。 ①寿命（耐用性）。在NOR闪存中，每个块的最大擦写次数是100万次，而NOR的擦写次数是10万次。NAND内存除了具有10∶1的块擦除周期优势，典型的NAND块尺寸是NOR器件的1/8，每个NAND内存块在给定的时间内的删除次数要少。 ②位交换。所有闪存器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下（很少见，NAND发生的次数要比NOR多），一个比特位会发生反转或被报告反转了。一位的变化可能不明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决。但是，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探测/ 错误纠正（EDC/ECC）算法。位反转的问题更多见于NAND闪存，NAND的供货商建议使用NAND闪存的时候，同时使用EDC/ECC算法。这个问题在用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。但是，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时，必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。 ③坏块处理。NAND器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算。NAND器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。在已制成的器件中，如果不能通过可靠的方法不能进行这项处理，将导致高故障率。

(5) 易于使用 可以非常直接地使用基于NOR的闪存，可以像其它内存那样连接，并可以在上面直接运行代码。由于需要I/O接口，NAND要复杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。在使用NAND器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作。向NAND器件写入信息是需要技巧的，因为设计师绝不能向坏块写入，这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映像。

1.3.3 闪存的应用 闪存是存储电子信息的存储器, 一般应用在数码相机、掌上电脑、MP3等小型数码产品中作为存储介质, 样子小巧, 有如一张卡片, 所以也称之为闪存卡。根据不同的生产厂商和不同的应用, 闪存卡大致有U盘( 闪存盘)、Smart Media( SM卡)、Compact Flash( CF卡)、Multimedia Card(MMC卡)、Secure Digital ( SD卡)、Memory Stick(记忆棒)、XD - P icture Card( XD卡) 和微硬盘(M icroD rive), 容量也发展到现在超过250GB。这些闪存卡虽然外观、规格不同, 但是技术原理都是相同的。

二、其它主流存储介质发展 1. 硬盘HD的发展 IBM于1956年9月推出了第一个磁盘系统IBM 350 RAMAC, 用到50个直径为24英寸的盘片, 而仅有5MB的存储容量。1968年, IBM又开发出了利用称为“Winchester”(温彻斯特)技术的硬盘。该技术的原理是采用密封盘体包裹可高速旋转的覆盖记录涂层的盘片, 磁头悬浮于盘片上方, 可沿盘片的径向移动, 但不与盘片接触。1973年采用该技术制造的硬盘IBM 3340结构与今天使用的硬盘已经非常类似了。到了20世纪80年代, 薄膜磁头技术的出现使得存储密度突破了10Mbit / inch2; 上世纪90年代和21世纪初, 硬盘技术进入了加速发展时期, 磁阻磁头、巨磁阻磁头和AFC(反铁磁性耦合)存储介质的相继出现, 使得硬盘容量几乎以每年100%的速度增长, 3.5英寸磁盘成为主流, 转速上升到15000rpm /m, 单碟容量达到了惊人的640GB, 垂直记录技术的出现更使硬盘容量突破了1TB。