結合硬碟與Flash影像儲存優勢之複合式技術探討
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2008-10-14 00:00
前言:
包括可攜式媒體播放器、錄影機、以及電視等越來越多的應用,內建時間平移功能,不斷帶動容量更大、成本更低的儲存需求。硬碟與快閃記憶體的儲存密度持續攀高,讓產品快速地成功擴展出更多消費者。
某個角度來看,硬碟與快閃記憶體技術似乎是直接相互競爭,快閃記憶體希望以DVD取代VHS錄影帶的模式來挑戰硬碟的地位。快閃記憶體提供超越硬碟的高速存取以及可靠度。硬碟則運用商品化系統,結合磁性儲存與旋轉碟片,相較於快閃記憶體的固態非揮發性記憶體,不含任何會移動的零組件,把小量的電荷儲存在半導體電晶體結構中。但工程師並沒有受限於僅能使用單一技術。事實上,在許多應用中混合運用兩種技術,更能同時發揮兩者的長處。
市場動能
快閃記憶體目前已累積可觀的市場動能,因為它成功整合至各種行動多媒體裝置,這些產品採用兩種主要非揮發性儲存媒體:NAND Flash與硬碟機。硬碟持續主宰高容量市場,但NAND Flash市場的成長相當驚人。由於NAND元件密度每年增加一倍,反觀硬碟的密度每兩年才增加一倍,故Flash持續侵蝕以往僅能使用硬碟的應用產品市場。
包括作業系統、應用程式、以及多媒體內容對於儲存的需求,持續促使廠商推出高成本效益的容量,決定採用何種儲存技術的主要考量,取決於消費者對於增加儲存容量的需求,是否會超越快閃記憶體的價格/效能比 “甜蜜點”。隨著快閃記憶體的版圖持續擴展至各種低儲存容量應用,這項技術還須經過很長的時間才能消弭和硬碟之間的容量差距。
在高容量應用方面,快閃記憶體在近期內並不會取代旋轉碟片的儲存媒體。同樣的,除非影片應用完全從手機轉移可攜式媒體播放器,硬碟將永遠無法搶進手機市場。當快閃記憶體能以合理的價位,提供足夠的儲存容量來支援一個主流作業系統與各種商務軟體,工程師們就會面臨困難的選擇。快閃記憶體現今已能提供這樣的容量,但價格比硬碟高出10至20倍,因此目前還無法構成真正的威脅。
影片儲存
多媒體儲存與編輯,以往都是硬碟主宰的市場。容量與速度都較高的硬碟,相當適合影片編輯或影像編輯的市場。情況是否如此?
採用快閃元件的儲存系統不僅更安靜、可攜性極高,而且由於沒有移動零組件,因此不必擔心摔落或遺失資料,沒有儲存碟可運作的機率非常低。最大的好處是,從快閃碟讀取大量多媒體檔案的速度遠勝過硬碟。
目前容量的問題還是存在,但64 gigabyte的快閃記憶體現已問市,讓使用者能以RAW格式儲存2500張8MP的相片,這是非常可觀的數量。在影片容量方面,12Mbps(5.4GB/hr)流量的HD格式高畫質影片,一片64 Gigabyte快閃記憶卡約能儲存約11個小時的影片。純就容量而言,硬碟是贏家,但論及更快的寫入速度,快閃記憶體是更優異的替代方案。
容量與讀取速度
硬碟技術仍舊在這場競賽中保持領先。在2006年9月,日立展示一款硬碟,內含345 Gbits/平方英吋的磁錄密度與垂直記錄技術,比現今最高容量硬碟的磁錄密度高2.5倍。日立公司預估硬碟製造商將能藉此製造出2TB容量的3.5吋硬碟,以及400GB容量的2.5吋硬碟。甚至1.8吋硬碟也能達到200GB的容量。
快閃記憶體是否能達到這麼高的容量,甚至超越呢?答案決定於快閃記憶體製造商多快能克服目前NAND浮動閘的限制。若依照目前的趨勢,快閃記憶體得花非常長的時間才能趕上目前高容量硬碟,像是日立的1 TB 3.5吋硬碟。
MLC NAND技術
快閃技術持續演進,在容量方面推出了多層單元技術,也就是所謂的MLC。以往SLC(單層單元)NAND每個單元儲存一個位元,MLC則是在每個單元內儲存兩個位元,故能達到更高的容量。不幸的是,每個單元儲存兩個位元,須犧牲記憶體的可靠性與耐用度。
儲存兩個位元的資料,是指需要嚴格的ECC(錯誤-校正碼)機制,目前每512位元組的資料使用4位元的ECC,並正擴充至16/32位元ECC。藉由把位元置放得更緊密,一個單元內的「1」與「0」大約只相距200個電子,意謂系統極需要ECC檢查機制。
對於MLC這種NAND快閃記憶體而言,更大的衝擊是可靠度。由於SLC快閃記憶體單元中只有兩種狀態,不是「1」就是「0」,而MLC則有四種可能狀態「00」、「01」、「10」、以及「11」,MLC NAND必須消耗更多的電力來管理運作時的電荷。如此一來編程與刪除的週期上限就會降低。SLC的編程/刪除週期約為10萬次,MLC則只有1萬次。
所以快閃記憶體的優勢在哪裡?NAND Flash在效能方面,提供比硬碟更快的讀取存取時間,加上沒有移動的零組件,因此具備更好的耐震度,這些特性對於行動裝置與其他使用電池的產品尤其重要,消費者在選擇這類產品時特別注重速度與強固性。
寫入速度
快閃碟的缺點之一就是其寫入資料的效能,比硬碟的寫入速度來得慢。以下比較搭載Cypress AT2LP的日立硬碟,以及San Disk Cruzer 512mb快閃碟,在戴爾D820筆電中,執行Laptop Performance Test 6.1 Suite測試程式。
兩種儲存碟的讀取速度差異相當大:從NAND快閃碟讀出資料,速度比5400rpm的硬碟幾乎快10倍。但快閃碟與硬碟兩者寫入速度的比較,情況就截然不同,硬碟寫入資料的速度比快閃碟快了10倍:
考慮讀取與寫入的差異,很明顯看出在許多應用中,應結合這些技術,建構出複合式儲存碟。例如,從快閃記憶體啟動應用,相較於從標準硬碟載入,能獲得更快的啟動時間與更低的耗電量。在載入作業系統後,硬碟就作為主要儲存媒體。這種特性的複合式硬碟已被許多PC與硬碟製造商採納,未來將有更多應用仿效。
快閃記憶體與硬碟技術為工程師與消費者提供許多重要的優點。複合式方案結合這兩種技術,融合高容量與高速讀取與資料的穩定完整,為各式各樣的多媒體與其他應用帶來更高的效能與省電效率。