更快、更大的固態(tài)硬盤

固態(tài)硬盤加載操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的速度是機械硬盤的2～3倍，因而，現(xiàn)如今沒有固態(tài)硬盤的電腦已經(jīng)有點不合時宜。不過，實際上固態(tài)硬盤只有在服務(wù)器中作為大容量存儲設(shè)備時才能夠完全發(fā)揮其性能，在個人電腦的SATA接口上，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的不同，SATA連接提供的速度只能達(dá)到每秒300MB（SATA 2.0也稱為3G接口）或每秒600MB（SATA 3.0也稱為6G接口），完全沒有機會讓固態(tài)硬盤發(fā)揮其全部性能。事實上，目前固態(tài)硬盤所使用的2.5英寸硬盤外殼，完全是為了讓機械硬盤能夠在筆記本電腦上使用而開發(fā)的，它們被調(diào)整為最適合機械硬盤讀寫磁頭在轉(zhuǎn)動的金屬盤上讀取數(shù)據(jù)，而固態(tài)硬盤可以制作得很小，一個存儲芯片實際上就像CPU一樣地小，固態(tài)硬盤中可以安裝多個存儲芯片，并通過控制芯片讓存儲芯片以并行的方式讀取或?qū)懭?，速度可以比SATA接口的速度快很多。

很快我們將在電腦主板和筆記本電腦上看到新的接口，新接口能夠支持更快的數(shù)據(jù)傳輸速度，每秒可以傳輸數(shù)GB的數(shù)據(jù)，將能夠完全發(fā)揮閃存技術(shù)的潛力。其次，固態(tài)硬盤的數(shù)據(jù)密度將大幅度增加，閃存存儲介質(zhì)的價格將明顯下降，我們能以低廉的價格獲得500GB的固態(tài)硬盤。而且，得益于新的閃存單元模式，未來我們將能夠獲得更實惠的TB級固態(tài)硬盤。

高速接口

新一代固態(tài)硬盤已經(jīng)蓄勢待發(fā)，它們將比目前市場上所有的固態(tài)硬盤都要快。它們將采用一個新接口：SATA Express（Serial ATA Express，簡稱SATAe），該接口將通過PCI-E轉(zhuǎn)發(fā)SATA的數(shù)據(jù)。到目前為止，只有顯示卡是通過PCI-E傳輸數(shù)據(jù)的。連接PCI-E的SATAe接口可以接入兩個SATA插頭，SATA接口的傳輸速率最快可以達(dá)到600MB/s，而老一代PCI-E 2.0每通道傳輸速率可以達(dá)到400MB/s，新一代PCI-E 3.0每通道傳輸速率可以高達(dá)1GB/s，由于SATAe接口的固態(tài)硬盤通過PCI-E傳輸數(shù)據(jù)時至少使用兩個通道，也就是說SATAe的傳輸速率將在800MB/s到2GB/s之間。

但SATAe升級的并不只是一個接口，而是一個全新的接口標(biāo)準(zhǔn)。出于兼容性的考慮，SATAe將繼續(xù)支持高級主機控制器接口（Advanced Host Controller Interface，簡稱AHCI）標(biāo)準(zhǔn)。AHCI標(biāo)準(zhǔn)是2004年在英特爾的領(lǐng)導(dǎo)下，由多家公司聯(lián)合研發(fā)的接口標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的響應(yīng)時間較慢。而這個早應(yīng)該被替換的標(biāo)準(zhǔn)即將被一個新的接口標(biāo)準(zhǔn)所取代：非易失性存儲主機控制器接口（Non-Volatile Memory Host Controller Interface，簡稱NVMHCI）標(biāo)準(zhǔn)是一個專門針對SATAe高性能固態(tài)硬盤而制定的接口標(biāo)準(zhǔn)，NVMHCI的指令集以等同于CPU內(nèi)核的數(shù)量并行傳輸數(shù)據(jù)，CPU可以直接處理所有的存儲和讀取指令，不需要排隊。此外，NVMHCI無需經(jīng)過中間存儲而直接在CPU和固態(tài)硬盤控制器之間傳送命令，響應(yīng)時間更低。

閃存硬件優(yōu)化

以上這些僅僅是理論還是真正可行的呢？事實上，通過PCI-E傳輸數(shù)據(jù)的固態(tài)硬盤在服務(wù)器上已經(jīng)使用了很長時間，這些固態(tài)硬盤可以實現(xiàn)遠(yuǎn)高于4GB/s的傳輸速率。但是由于缺少驅(qū)動程序，所以類似的設(shè)備無法安裝到個人用戶的電腦上使用，唯一例外的是RevoDrive（通過固態(tài)硬盤組成磁盤陣列并通過PCI-E適配卡連接）這樣的解決方案。而M.2固態(tài)硬盤則是為筆記本電腦設(shè)計并面向個人用戶的過渡產(chǎn)品，目前，M.2固態(tài)硬盤仍然在使用SATA接口，但是新的SATAe接口將允許M.2通過PCI-E連接。浦科特M6E和三星XP941是可以連接PCI-E的M.2固態(tài)硬盤，它們可以搭配與SATAe標(biāo)準(zhǔn)兼容的英特爾新版本的9系列芯片組主板使用。

遺憾的是，H97和Z97這些芯片組的主板最多只允許使用兩個PCI-E 2.0通道，這將把固態(tài)硬盤的傳輸速率限制在800MB/s。對于像浦科特M6E這樣的固態(tài)硬盤來說問題不大，因為這種固態(tài)硬盤插口上的兩個缺口（俗稱B Key）表明，它在傳輸時只使用兩個通道。但是對于三星XP941這種插口上只有一個缺口（俗稱M Key）可以使用4個通道的固態(tài)硬盤來說，受主板的制約將無法達(dá)到最快速度。

對于三星XP941這樣高速的固態(tài)硬盤，將需要一個使用PCI-E插槽的固態(tài)硬盤適配卡或者華擎的Z97 Extreme6主板，目前只有這塊主板可以為M.2提供4通道的PCI-E連接。未來PCI-E 3.0的接口將能夠讓SATAe固態(tài)硬盤更充分地發(fā)揮其性能，目前的控制芯片只能支持PCI-E 2.0，不過，SandForce 3700即將推出，該控制芯片除了支持AHCI之外，還能夠支持NVMHCI。接下來，東芝的PCI-E 3.0控制器OCZ Jetstream Express將在明年上市，同時英特爾也計劃推出支持PCI-E 3.0的芯片組。

用3D閃存的大容量固態(tài)硬盤

容量高達(dá)4TB的機械硬盤價格仍然相當(dāng)經(jīng)濟實惠，但是價格相差無幾的固態(tài)硬盤卻頂多只有250GB到500GB的容量。不過，這只是目前的情況，預(yù)計未來幾年，閃存單元的大小和設(shè)計將發(fā)展到一個新的階段，固態(tài)硬盤將能夠完全扭轉(zhuǎn)這一局面。目前，固態(tài)硬盤所采用的閃存單元就如同CPU的晶體管一樣，唯一不同的是，閃存單元可以在浮柵永久存儲電荷。目前，制造商已經(jīng)成功地將閃存單元的制作工藝提升到20nm，并正迅速向另一個更小的制程邁進。每一次技術(shù)的提升，意味著費用和生產(chǎn)成本的下降，因此，制造商們樂此不疲，并計劃切換到另一種閃存單元類型：3D閃存。

固態(tài)硬盤的容量是影響價格的另一個問題，目前最大的固態(tài)硬盤SanDisk Optimus Max容量高達(dá)4TB，但基本上只有企業(yè)用戶才會花幾萬元購買。對于個人用戶使用的固態(tài)硬盤來說這種閃存技術(shù)是不現(xiàn)實的，三星和東芝目前正在走另外的一條路。他們通過可以在浮柵存儲8個不同電荷水平的TLC閃存單元，實現(xiàn)每個閃存單元存儲3位數(shù)據(jù)（8個不同電荷分別代表000到111之間的二進制值）的目的，通過存儲密度的增加提升固態(tài)硬盤的容量。但是這種閃存單元只能夠支持1 000次的寫入或刪除操作。通常情況下，個人用戶使用的固態(tài)硬盤采用的MLC閃存單元每單元可以記錄2位的數(shù)據(jù)，能夠承受10 000次寫入或刪除操作。而采用TLC單元的服務(wù)器固態(tài)硬盤PM853T，三星給出的驅(qū)動器每日寫入量（Device Writes Per Day，簡稱DWPD，指示固態(tài)硬盤每天可以寫入的數(shù)據(jù)量）為全盤寫入0.3～1.6次的情況下可以保證5年的壽命。很明顯，PM853T只適用于那些很少刷新的數(shù)據(jù)，與之相比，其他普通的服務(wù)器固態(tài)硬盤，DWPD通常都在10～30之間。

2D閃存的局限性

如果既要實現(xiàn)高性價比，同時又要保持大容量和高品質(zhì)，唯一的辦法是縮小閃存單元的尺寸。但是如果閃存單元的尺寸進一步壓縮，那么尺寸小于20nm的情況下閃存單元可能會出現(xiàn)問題。首先，要解決生產(chǎn)環(huán)節(jié)中193nm波長激光刻錄的限制問題，解決這一種問題的超紫外曝光工具對于閃存單元的生產(chǎn)來說仍然過于昂貴。而且，生產(chǎn)企業(yè)還面臨著物理上的限制，在單元殼體的尺寸小于20nm時，某些部件將僅有幾個原子層的厚度，不可能再繼續(xù)縮小。

另外，控制柵和浮柵之間的多晶硅間介質(zhì)層（IPD）也可能會出現(xiàn)問題。控制柵通過施加電壓排出或者填充浮柵的電荷，而浮柵必須保持其電荷，所以它的周圍都由IPD包裹，防止電荷通過控制柵極逃逸。IPD層不能夠太薄，當(dāng)IPD的厚度小于10nm時，浮柵的電荷會隨著時間的推移而下降。

更糟糕的是，更小的閃存單元，它們之間的距離較小。如果它們之間的浮柵距離小于20nm，則要防止單元之間的電荷相互干擾，IPD必須更厚。除此之外，即使制造商解決了所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)的問題，IPD的厚度與浮柵之間的距離也不成問題，閃存單元尺寸從21nm降低到12nm，相對于數(shù)據(jù)密度的增益也顯得有點太低。

目前，制造商已經(jīng)將閃存單元的工藝提升到了16nm～19nm，原來由硅制成的控制柵極已經(jīng)被金屬和硅氧化物所取代，而IPD已經(jīng)被換成了高介電值材料，例如氧化鉿。因此，可以構(gòu)建更有效的控制閘，不再需要從三面包圍浮柵。取而代之的是，單元的控制柵極之間的空間被填滿氣泡，以減少干擾。不過，這些措施對于解決IPD的問題來說，并不能夠徹底地解決問題，只能夠起到一定的延緩作用。

突破限制的3D閃存

2D閃存的限制問題可以用不同的方法來解決，例如可以改變以往閃存單元僅有一層彼此相鄰的結(jié)構(gòu)，改用可以堆疊起來的3D結(jié)構(gòu)，疊加的層數(shù)量越多，則存儲密度越高。三星2013年首次提出了3D閃存的概念，第一代V-Nand包含24層閃存單元，從而達(dá)到了當(dāng)前最佳的2D閃存相同的存儲密度。雖然疊加的單元需要直徑為80nm的空間，但是大型的堆疊結(jié)構(gòu)仍然有其優(yōu)勢。V-Nand閃存可以在低電壓下進行操作，并且支持35 000次的寫入或刪除周期，是MLC單元的3倍多。而且根據(jù)三星的介紹，寫入速度也將成倍地提升。

三星有著一個遠(yuǎn)大的生產(chǎn)計劃，預(yù)期2018年V-Nand芯片將從128GB增加到1TB。實際上這只需要疊加更多的層就可以了，192層即可達(dá)到1TB。在這個數(shù)據(jù)密度的基礎(chǔ)上，4TB到8TB之間的固態(tài)硬盤成本將會是個人用戶可以負(fù)擔(dān)得起的。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，3D閃存只要堆疊超過40層，每GB容量的價格就會比2D閃存便宜。

從技術(shù)上講，東芝的位成本可擴展（Bit Cost Scalable，簡稱BICS）閃存與V-Nand閃存幾乎沒有任何不同。BICS采用由氮化硅制成的存儲層，由兩層氧化物包圍存儲層中的電荷。單元相鄰的控制柵可以從存儲層除去電荷，也可以寫入。V-NAND閃存的工作原理相同，但存儲層采用其他的材料，其存儲層不是由硅系的氧化物包裹，而是由鋁制成的高介電值材料包裹。根據(jù)三星的介紹，控制柵則采用氮化鉭，可以確保單元的刪除速度更迅速，新材料也保證了充電電平，從而更大地提高了使用壽命。

目前，東芝正處在重建舊芯片的生產(chǎn)設(shè)備制造BICS的過程中，樣品最早可以于2015年3月推出。雖然目前BICS原型只計劃堆疊16層，但可以預(yù)計，正式銷售的芯片將超過30層才足以與V-NAND閃存競爭。IHS公司市場專家認(rèn)為，2016年3D閃存將隨處可見，數(shù)據(jù)密度將可以與機械硬盤一較高下，而如果價格再松動一些，那么機械硬盤很可能很快會成為歷史。