固态硬盘取代旋转磁盘，难！

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几年前的固态硬盘（SSD）还是基于DRAM（动态随机存储器）的，且价格不菲。近几年，由于对防震要求较高的移动设备的激增，为闪存开辟了巨大的市场。在其价格逐步下降的同时，由于市场的扩大，相关厂商在研发投入上也加大了力度，因此，闪存的密度与性能也随之大幅提高。

这是闪存大发展的时期。不过，我想乌云就要飘来了。这里不妨回顾一下历史的发展，以阐明我的观点。我最早听说磁带即将消亡是在20多年前，之后，尽管磁带市场的确日益萎缩，但对其销量产生影响的并不是磁盘驱动器本身，而是磁盘驱动器结合了新技术，价格变得足够便宜，以及重复数据删除技术的出现。

因此，现在有一些人认为，闪存驱动器最终将会取代磁盘驱动器；并且两者的成本差异尽管目前很大，但会继续缩小。厂商们还列出图表，表明闪存驱动器和磁盘驱动器的成本越来越接近。而在我看来，这些图表就像我在20多年前看到的磁带和磁盘成本比较图表，我认为，这种情况不会很快出现，原因与光刻尺寸的极限和磁盘驱动器的密度有关。

闪存光刻尺寸有极限

对闪存技术来说，影响密度的主要因素是用来制造芯片的光刻的尺寸。下表是1971年以来光刻尺寸的变化，以及对2022年之前光刻尺寸的预测。

闪存密度的增加主要与光刻尺寸缩小有关。从表中不难看出，从2002年到2010年的8年间，光刻尺寸几乎缩小了2/3，这样就可以在同样大小的体积中置入更多的元件。但从表中也可以看出，要想使光刻尺寸再缩小2/3，则需要经过12年，这也就是说，在时间上比以前要多用50%。这就是为什么如果将闪驱密度在过去5年的增加情况绘成图表，就会发现其改进的步伐其实是减慢了。

要想将元件做得更小，将面临着巨大的挑战。说到底，如何运用最新技术来缩小元件的尺寸是有极限的。闪存密度会遇到数据密度增加的问题，就像其他存储技术在过去30年遇到的问题那样。这应该不足为奇。

而对闪存来说光刻问题不仅限于此。戴尔公司高性能计算部门企业技术专家Jeff Layton指出，随着光刻尺寸的变小，NAND会遇到越来越多的麻烦，如电压没有降低，则引起邻近NAND出现数据意外损坏的可能性会加大。Jeff Layton强调说：“所以到了某个时候，你不可能既缩小了光刻的尺寸，又不出现数据损坏问题。”

磁盘的密度也会增加

我看到的众多图表显示，闪存密度在增加，磁盘驱动器密度却停滞不前。我们都知道，磁盘驱动器密度的增长速度已经减慢，但我们还是从1TB驱动器发展到了2TB，据说最快今年就会出现3TB和4TB驱动器。我们看到，企业级2.5英寸驱动器的容量从300GB增加到了600GB。由此看到，虽然闪存密度还会继续增加，但磁盘的密度也会继续增加。

存储容量的增长速度往往在经历快速发展期后会出现慢速发展，而之后出现的新技术将再次促使其快速发展。我认为，许多技术经历的这个周期已经出现在闪存身上。2007年到2009年的快速发展期是一条趋势线，可用来预测惊人的未来。取两三个数据点，绘出一条斜线，即可预测出真正惊人的未来。这对专家和厂商来说也许行得通，但在实际情况下往往行不通，至少从长远来看是这样。

磁盘驱动器的密度会更高。正如前些年垂直记录技术研发成功后，存储容量迎来了快速发展期一样，而热辅助记录等一些新技术问世后，将会上演同样的一幕。对于数据容量越来越大的低成本存储的需求不会消失，每个人都有这样的需求。低成本存储对许多需要存储大量数据的应用来说很重要，这一点无疑有利于旋转磁盘的应用和发展。如果对于廉价存储的需求不是长期的需求，那磁带早就像20多年前预测的那样消亡了。从长远来看，磁带仍比磁盘便宜得多，而磁盘也比闪存便宜得多。这种情况不会很快发生变化。

闪存的性价比并不总是很高

对小数据块输入/输出（读取的数据不到32KB）来说，闪存的性能比磁盘高几个数量级。但我们都知道，不是所有闪存的写入速度都一样快。有些闪存比磁盘快几个数量级，有些可能快10倍到20倍，但你得支付大笔费用，才能享受这样的快速度。而问题在于，这果真划算吗？

拿Photoshop这样典型的家用PC应用软件来说。我们都知道，随着相机传感器越来越大，照片文件的大小也会增加。几年前，文件可能只有2MB，如今可能有8MB或更大。读取典型SATA硬盘上的一个8MB文件可能用时0.15秒（包括寻道、等待和读取），但读取闪存上的文件可能用时0.1秒，具体要取决于闪存的性能。那么，这么小的差异真的很重要吗？

编辑大型视频文件又怎样呢？磁盘驱动器的速度可能是80MBps，而低端闪存可能是100MBps。同样，它们之间的差别不是很大。真正有区别的是，编辑软件所用的元数据在闪存上的读取速度会快得多。现在，许多家用PC上有超过500GB的音乐、视频和照片，对存储空间的需求正在迅速加大。而人们不会为了让家用PC的性能小幅提升而多花50%的费用。

早在上个世纪90年代初，我有一个面向家用PC的磁带备份系统。尽管这样的磁带系统已一去不复返，但我并不认为闪存对磁盘的影响会与磁盘当初对磁带的影响一样大。闪存技术不会以几乎同样的成本达到磁盘的密度，至少近期不会，它将面临太多的挑战。闪存和磁盘肯定会相互共存，要是闪存厂商没有认识到这一点，就可能失去目标市场，因为大部分数据需要的是廉价的大容量存储系统，只有少数的应用场合才需要小数据块随机输入/输出。

我的下一台家用PC（用于Photoshop图片编辑、个人理财和长期存储）会是一台Windows PC，配备小容量闪驱，而家用NAS设备中的四块2TB磁盘通过万兆以太网连接（至少我希望这样）。我将会用闪存来启动系统、存储需要Photoshop编辑的临时文件；而大容量NAS存储设备则用于存储照片、视频、音乐和其他一切内容。

现在人们需要混合存储方案。闪存为小文件、小的应用程序输入/输出请求和交换解决了问题，其性能远远胜过磁盘。不过，闪存在价格/密度上绝不会比磁盘有优势。固态盘技术会给磁盘厂商带来重大影响，但单单闪存满足不了对存储密度的需求。不管一些厂商是多么地希望磁盘消亡，磁盘绝不会消亡。

图1 英特尔美光IMFT位于美国犹太州的25nm NAND闪存晶圆厂，采用最新的25nm沉浸式光刻技术，在300mm晶圆上生产更大容量更小体积的NAND闪存。操作间都是采用倒吸风式设计，以保证环境始终保持无尘，净化间保持最高的微尘级别。

图2 搬运和自动装载晶圆的FOUP

图3 光刻完成的300mm晶圆，虽然单晶圆上的NAND芯片数量没变，但25nm技术使单位面积的容量翻了一倍。