闪存技术演进与未来存储

存储的艺术

Digital 存储在消费设备中发挥着重要作用。它是我们相机中照片的存放位置，也是音乐和视频的存储空间。所有消费设备都包含某种存储介质。对于大多数移动设备而言，存储通常采用 NAND闪存。在家用设备中，则可能使用闪存或硬盘驱动器（HDD），具体取决于所存储数据的量。在本文中，我们将探讨闪存技术接口的发展，这些发展将使消费者获得更快的应用程序运行速度和数据访问体验。

闪存可以嵌入到消费类设备中，或嵌入到固态驱动器（SSD）或可移动存储设备（如U盘或闪存卡）中。这些设备中的接口在连接到微处理器时，能够构建一个可运行的基于计算机的系统。

闪存卡

许多消费设备使用可移动的闪存卡，以为相机和智能手机等设备增加内存。可移动的闪存卡还可用于在设备之间传输数据，例如将数码照片从相机传送到个人电脑，或将MP3文件传送到便携式音乐播放器。由于闪存是一种存储技术，因此需要一种称为控制器的微处理器设备，以实现数据在闪存中存储单元的读取和写入。

芯片。图1显示了闪存控制器的主要功能。控制器上的主机接口（I/F）将其连接到主机设备的处理器总线。NAND闪存拥有自己的接口控制器。控制与状态机通过纠错码模块（ECC）管理数据流并纠正错误。控制与状态机将数据（经纠错后）移入缓冲区；处理器可通过主机I/F访问缓冲区中的数据。

控制器在闪存方面的一个重要功能是管理闪存的擦除/写入周期。闪存无法直接覆盖先前写入的信息；相反，在写入新信息之前，必须先进行擦除操作。由于存储单元在反复擦除过程中会磨损，因此控制器需要进行相应的管理。控制器可均衡磨损，防止单元过早磨损。

闪存是一种半导体技术，闪存设备中的基本组件是芯片。闪存卡和USB驱动器至少包含一个闪存芯片。

其中清晰可见的部分包括闪存芯片、闪存控制器以及连接到卡接口的线路，该卡接口用于与主机系统的处理器总线进行通信。

闪存卡有多种不同的格式和尺寸。SD卡格式非常流行，其尺寸从小型SD（mini‐SD）到传统的SD，再到微型SD（micro‐SD）。传统 SD卡的数据速率高达12.5 MB/s。SDHC卡的速度可达25 MB/s。较新的SDXC卡针对高达312 MB/s的数据速率，存储容量最高可达2 TB。这些产品特别适用于从摄像机捕获高分辨率视频（4K）。

U盘

熟悉的基于闪存的U盘通常用于分发物理内容。一些人将U盘作为主要存储手段或用于内容归档，但除非使用最高质量的U盘，否则不建议这样做。此外，还有一些U盘设备实际上本身就是计算机，内置操作系统，能够接管其所插入的计算机的资源。

普通的商用U盘采用平面闪存制造，其他U盘也是如此。许多闪存卡的设计注重在价格上实现有限的使用寿命和最大的存储容量。这些U盘采用3比特内存单元（TLC），虽然提高了存储容量，但减少了设备可写入次数，导致存储单元磨损后无法再存储新信息。寿命更长的消费级闪存设备则采用每单元2比特架构，可延长设备的写入寿命。

闪存设备的写入寿命取决于其光刻特征尺寸的大小。随着这些特征尺寸的缩小，用于存储信息的被捕获电子数量减少，擦除/写入损耗的影响也随之增加。目前，闪存卡和U盘通常使用平面（2D）闪存，而更高的存储容量主要通过减小光刻特征尺寸来实现。

三星为企业级和消费级固态硬盘推出的3D NAND闪存产品的光刻特征尺寸可以更大，从而增加存储单元在磨损前可承受的擦除/写入周期次数。到2018年，所有闪存制造商都将大规模生产3D闪存。随着这些产品的良率和生产量的提高，其成本和可用供应量也将增加。到本十年末，3D闪存将无处不在。

闪存芯片的面密度可以通过使用3D闪存来提高，而无需缩小光刻特征尺寸，3D闪存通过在特殊沟槽中创建存储单元的三维堆叠实现。闪存制造商正在利用这种新的密度方法来放宽关键光刻特征的尺寸，从而延长闪存的耐久寿命。通过以每单元更多比特数来换取存储单元的耐久寿命，可以获得更大的存储容量。未来的消费级闪存卡和U盘可能会采用3D NAND 技术，达到每单元4比特，以增加其存储容量，但同时会减少在磨损前的擦除/写入周期次数。这种权衡对消费者来说是可接受的，因为这些设备中的许多并不会持续进行写入操作，而且在减少的擦除/写入周期成为问题之前，它们甚至可能已经丢失，或被更新、更高容量的产品所淘汰。与闪存卡类似，U盘本质上是小型计算机，其作用是为主机设备保存并提供数据。存储控制器是这些设备的微处理器。

固态驱动器

与闪存卡和U盘类似，固态硬盘是小型专用计算机；然而，这些设备通常用于主机系统内部的固定或嵌入式配置中。在大多数消费类应用中，仅使用一个

固态硬盘被用作大容量存储设备。在企业级应用中，通常使用固态硬盘阵列来提供更高的存储容量，或通过多个固态硬盘并行向主机服务器传输数据以获得更高的聚合性能。固态硬盘最初是为了替代机械硬盘而开发的，因此采用了与机械硬盘相同的接口和固件。消费类应用中常见的机械硬盘接口是串行高级技术附件（SATA）接口，尽管有时也会使用更复杂的串行连接SCSI（SAS）接口。这些用于替换的固态硬盘也采用了与机械硬盘相同的外形，即使固态硬盘内部实际上是一块带有半导体芯片的电路板，而不是机械硬盘所使用的磁盘、电机和换能器。为了符合外形规格，这些固态硬盘内部的大部分空间最终处于空置浪费状态。

随着固态硬盘（SSD）越来越多地被直接使用（而非作为机械硬盘的替代品），它们不再需要模仿机械硬盘的外形。系统设计人员现在针对固态硬盘进行设计，而非机械硬盘，这使得固态硬盘可以更加紧凑，从而实现更小、更轻便的移动主机设备。这一变化使得当前一代基于固态硬盘的笔记本电脑和超薄笔记本电脑比前几代产品更轻薄。

如今的固态硬盘有多种外形。一些固态硬盘将控制器与内存结合在非常小的封装中，可用于空间受限最严格的主机。图4显示了东芝于2015年发布的单芯片封装固态硬盘的TSOP和BGA版本。该产品面向平板电脑及其他移动应用，采用东芝/闪迪 BiCS 3D闪存，公司将于2016年推出该闪存。其他固态硬盘则旨在优化外形尺寸，同时提供最高的读写性能。

为了最大限度地利用闪存以及新兴固态存储技术所具备的低延迟性能，需要设计新的固态硬盘外形，同时也需要设计控制固态硬盘及其与主机交互的软件和固件。在这些外形尺寸中，最具前景的之一是以及接口技术方面，M.2 SSD规范尤其重要，特别是结合使用基于PCI Express（PCIe）计算机总线的NVMe接口时。

M.2 SSD规范曾被称为“下一代外形尺寸”（NGFF），是为插入 PCIe总线的扩展卡而开发的。M.2取代了新型计算机和移动设备应用中的 mSATA标准。通过M.2连接器提供的计算机总线接口包括最高支持四通道的PCIe 3.0、串行ATA 3.0以及 USB 3.0。电路板或主机制造商选择支持哪些接口。M.2连接器上的键槽决定了M.2模块的各种用途。

NVM Express（NVMe）是一种高速接口，旨在充分利用闪存及其他新兴固态存储设备的性能。NVMe基于最初用于向计算机添加外围设备的PCIe内存总线构建。PCIe 总线是一种高速计算机总线，因此 NVMe成为内存和存储产品（如固态硬盘）的高效接口。支持NVMe规范的M.2连接器可实现快速存储设备与计算机系统的连接。由于闪存产品无需遵循机械硬盘外形，其形状设计更加灵活。M.2专为安装在电路板上的薄型卡式固态硬盘而设计，此类固态硬盘可在个人电脑中实现极低轮廓的存储。

该产品在80.15×22.15×2.38毫米封装内实现了最高2.5 GB/s的读取速度和 1.5 GB/s的写入速度。512GB驱动器的平均功耗为5.7 W，最大功耗为 7.0 W。产品提供5年质保，TBW寿命达400 TB（相当于781次磁盘写入次数），并支持全盘加密功能。尽管该类产品最初面向需要高性能工作站以进行计算机辅助设计、数据分析和工程仿真的专业PC用户而设计，但未来将在个人计算机中广泛应用。

平台，为游戏以及视频观看和编辑提供快速的视频渲染。

除了开发高速硬件外，NVM编程技术工作组还在制定软件标准，以消除旧有软件中的延迟问题（这些软件是在硬盘驱动器主导大容量存储市场的时期构建的），随着存储设备速度的提升，这些问题将日益突出。更快的硬件与更低延迟的软件相结合，将带来更优的计算机系统性能。

连接未来

内存是消费设备设计中的关键要素。固态内存将在消费设备的短期内存和日益增长的长期存储方面发挥越来越重要的作用。尽管许多消费设备依赖于云中存储的高级资源和内容，但它们也被用于采集和创建内容。随着消费类“物联网”的兴起，我们家庭中的设备会在本地网络内生成和共享信息，这将导致本地和云中的数字存储需求不断增加。

为支持捕获新内容以及来自云的内容以供移动应用使用，正不断增加消费者设备的本地存储需求设备。对于移动消费设备而言，闪存将作为首选的大容量存储设备发挥越来越重要的作用，并采用新型、节省空间的设备外形规格。对于移动性较低的消费产品，如游戏和数字视频录像机，闪存（或可能的新固态存储技术）可能会与机械硬盘上的大容量存储结合，作为性能增强层发挥日益重要的作用。

随着闪存及其他新兴非易失性固态存储在日常设备中的普及，控制这些设备的软件和固件将不断改进，以提升相较于硬盘驱动器的性能。无论单独使用还是与硬盘驱动器结合使用，消费类应用中的闪存正在不断增长，这得益于能够让我们最大程度利用这些存储产品并连接未来的接口和固件。