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存储HDD、闪存SSD、闪存Flash

2019年8月27日  来源:阿明观察 作者: 提供人:ganjiu87......

4、磁盘存储HDD:顺势而来,汹涌澎湃

全球存储简史(第二版)

幸运的是,早在1956年,世界上的第一款硬盘终于由IBM设计完成。这款名为IBM350 RAMAC(Random Access Method of Accounting and Control)的硬盘产品体积十分庞大,但容量仅为5MB,总共使用了50张24英寸的碟片。

全球存储简史(第二版)

1973年IBM公司制造出第一台采用“温彻斯特”技术的硬盘,从此硬盘技术的发展有了正确的结构基础。它的容量为60MB,转速略低于3000RPM,采用4张14英寸盘片,存储密度为每平方英寸1.7MB。

1991年IBM生产的3.5英寸的硬盘使用了MR磁头,使硬盘的容量首次达到了1GB,从此硬盘容量开始进入了GB数量级。 不过,IBM的硬盘业务还是没有被守住,因为后来IBM将旗下硬盘部门卖给了日立(Hitachi)公司,日立基于IBM和自己的存储业务进行战略性整合形成了日立环球存储科技公司(HGST)。不过,2011年3月7日HGST被卖给了美国西部数据公司(WD)。

1999年9月7日,Maxtor宣布了首块单碟容量高达10.2GB的ATA硬盘,从而把硬盘的容量引入了一个新的里程碑。

2000年2月23日,发布了转速高达15000RPM的Cheetah X15系列硬盘,其平均寻道时间仅3.9ms,它也是到目前为止转速最高的硬盘。

硬盘不仅用于各种计算机和服务器中,在磁盘阵列和各种网络存储系统中,它也是基本的存储单元。

当然,现在的磁盘出现了氦气硬盘,以及SMR、HAMR、BPMR、HDMR(BPMR+HMAR技术)、BPMR+(BPMR技术辅以SMR技术)等等高精尖的磁盘技术与工艺。硬盘容量也早就到了TB级。

全球存储简史(第二版)

软盘在1970年代到20世纪末也是风靡一时,但现在消声匿迹,那就不说了。

还有光盘,也一样在1970到1990年代之间比较时兴,不过现在的蓝光技术应用出来后,蓝光光盘库也是一些用户数据存储的常见设备。

5 闪存技术SSD:全球兴起,席卷一切

闪存与磁盘现在相提并论了,因此专用数字集成电路芯片、RAM芯片、FLAH芯片都提升了闪存领域的发展。

在1984年,芝公司首先提出了快速闪存存储器的概念。1988年,Intel公司推出了一款256K bit闪存芯片,后来这类闪存被统称为NOR闪存。不过,很快就被叫NAND的闪存抢了风头。NAND由日立公司于1989年研制,并被认为是NOR闪存的理想替代者。

NAND闪存的写周期比NOR闪存短十倍,它的保存与删除处理的速度也相对较快。NAND的存储单元只有NOR的一半,在更小的存储空间中NAND获得了更好的性能。鉴于NAND出色的表现,它常常被应用于诸如CompactFlash、SmartMedia、 SD、 MMC、 xD、and PC cards、USB sticks等存储卡上。

全球存储简史(第二版)

闪存的发展,也对固体硬盘发展有所促进。固态硬盘(Solid State Drives),简称固盘,SSD用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘,由控制单元和存储单元(FLASH芯片、DRAM芯片)组成。

1970年Sun StorageTek公司开发了第一个固态硬盘驱动器。1989年,世界上第一款固态硬盘出现。

全球存储简史(第二版)

由于固态硬盘技术与传统硬盘技术不同,所以产生了不少新兴的存储器厂商。厂商只需购买NAND存储器,再配合适当的控制芯片,就可以制造固态硬盘了。新一代的固态硬盘普遍采用SATA-2接口、SATA-3接口、SAS接口、MSATA接口、PCI-E接口、NGFF接口、CFast接口和SFF-8639接口。

有了磁带、有了磁盘、有了闪存芯片、有了固态硬盘,因而数据存储在加速发展,伴随的相关企业级存储产品的出现如磁盘阵列、虚拟磁带库、大型SAN存储阵列(高端存储)等等。

好奇使人进步,无趣使人落后。当然,现今的数据存储发展,也就日新月异了。包括云存储、软件定义存储、全闪存阵列、NVMe的PCIe闪存卡(盘)等等,存储产品的形态有了更大的变化,对于存储这两个词的定义范伟也就更为广泛和丰富了。

6 磁盘的对立面:只是闪存Flash吗?

存储发展了多年,准确地说,不算古代的存储形式,而以1932年磁鼓存储器诞生算起的话,存储发展至今也近84年了。

其间还涌现了磁带存储,包括现在也有企业级用户继续在使用磁带库存储产品。以及光盘存储,可能有些人还记得10多年以前市面上常见的光盘存储库,当然现在光盘存储介质已经有了蓝光存储这样的创新,据业内人士介绍,中国还有红光存储只是一直没有得到很好的运作,也没推广开来。

与此同时,磁带存储、光盘存储依然在企业级用户市场有所应用,并没有因为1956年IBM 发明硬盘而致使消失殆尽,只是后来硬盘厂商的风起云涌确实让磁带和光盘存储从这个世界上慢慢失去了主流的声音,比如在一些行业用户的数据中心里面,依然可以看到磁带库、光盘库的产品还在应用中。

显然,磁带存储和光盘存储在一些企业级用户的数据备份与归档领域,依然有着其应用的价值。

既然磁带存储和光盘存储并没有因为磁盘的兴起而消失,那么现在我们就来说磁盘的消失是否为期过早呢?

这个问题的答案主要在于闪存的发展是否可以将磁盘逼入一个死胡同,怎么来理解呢?如果要这样去理解,那么现在我们暂且可以狭义地认为:磁盘的对立面就是闪存。

然而,闪存发展又历经了多少磨难呢?

闪存现在最为常见的是SSD产品,如NVMe SSD、SAS SSD、SATA SSD。SSD因为接口和架构协议不同,存在着各自的优劣点。常见的闪存产品存在三种形态:一是闪存卡;二是闪存盘;三是闪存阵列。

闪存卡更多的是应用在服务器上面,为了提高服务器的存储性能或者直接将闪存当作缓存来使用,对于特定环境下的应用带来的加速效果还是立竿见影的。

闪存盘也是方便混合存储阵列或闪存阵列应用的形态,之前也有闪存厂商推出了采用了SFF-8639接口的闪存盘支持用户热插拔。当然也有存储厂商推出了支持SFF-8639接口的PCIe SSD,并且插在服务器里面使用,这种接口的PCIe SSD与主板通信采用的是PCIe信号,因此在性能上确实也能表现出SSD应有的贡献。当然后面,还有更小的模式的闪存盘,如采用U.2和M.2的SSD。

只是这里需要说明一下:U.2接口就是之前的SFF-8639,U.2是由固态硬盘形态工作组织(SSD Form Factor Work Group)推出的接口规范,某些企业级闪存厂商已经推出了U.2的SSD产品。M.2是Intel领头制定接口标准,体积更小接口更快,其原名就是NGFF接口,M.2基本上为超极本(Ultrabook)量身定制的标准,这里就不多谈了。

至于大家目前非常看重的闪存阵列,现在也分混插SSD盘和HDD盘的混合闪存阵列和全闪存阵列两种主要的形态。

单从SSD再往底层去看,就是闪存颗粒了,大家常见的闪存颗粒如SLC、MLC(包括消费级的cMLC和企业级eMLC)、TLC、3D NAND等等,他们有着闪存结构和制造工艺的不同。NAND颗粒的制造工艺和制程,以及晶圆的质量很大程度上决定了闪存颗粒的品质。如果是闪存卡、闪存盘、闪存阵列的制造厂商,一般都会测试闪存晶圆厂的晶圆品质。但通常情况下,晶圆厂会主动提供不同等级的晶圆给闪存厂商,然后后者会根据产品的定位采用不同的晶圆。

就算是同一个闪存晶圆厂商提供的晶圆,按照等级不同,将其封装成闪存卡,做成成品后的品质也就不同了,很大程度上要看闪存卡制造商的产品定位。某些时候我们看到某些闪存卡厂商提供给用户的产品价格低廉,甚至打破了市场常态价,其中的一个猫腻应该就和晶圆有一定关系。

因为市场竞争的残酷,更因为某些用户特别是互联网用户对于闪存卡采购时十分看重价格因素,确实会促成某些闪存厂商以特别低廉的价格成功竞标,往往提供的闪存产品会因为采用晶圆的品质差而导致闪存卡在具体应用时产生故障率高。

从这个逻辑来看,闪存卡的发展,与晶圆厂技术进步和提供的晶圆品质有很大关系。技术进步也可以带来晶圆品质的提升。

对于一些专业的闪存厂商,会对晶圆供应商的晶圆再检测,剔除晶圆坏块,然后进入自己的制造流程进行切割,自行堆叠封装成闪存颗粒。不过,需要指出的是:不同容量的闪存颗粒封装技术难度不同,封装好的闪存颗粒里面可能也会因为封装工艺的技术问题而出现质量的好坏。因此,一些只是采用闪存颗粒不做自己封装的闪存厂商,在收到颗粒厂商的供货之后,自行还需要再次监测颗粒的品质,筛选之后再进入制造流程。这是对最终用户应用闪存的最负责人的表现。

因而,单从闪存晶圆、颗粒、封装等方面来看,闪存就经历了不少故事。正因为闪存发展的丰富多彩,技术也层出不穷,从而带来了闪存整体上对传统磁盘技术的压力。

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