蘋果iPod這類移動音頻設備的迅速普及，將人們的目光重新匯聚到兩種主要的非易失性存儲器——NAND閃存和硬盤。從傳統意義上講，硬盤曾是海量存儲的首選媒介，但是最近NAND閃存的增長速度卻頗令人關注。NAND閃存密度的不斷增加使人們不禁產生了這樣的想法：NAND閃存馬上就會取代硬盤成爲數據存儲的主導技術。但是，硬盤在許多市場上已經根深蒂固，而且在某些方面具有超越閃存的明顯優勢。這意味着，任何大規模向NAND的轉變都不太可能，而且或許也不必要。從長遠角度來看，哪種技術將成爲主導尚不明朗，但是在短期內，硬盤和NAND閃存將在某些市場短兵相接。
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圖1: 蘋果的iPod Nano較iPod Mini在尺寸上的勝出，就是NAND閃存憑藉體積和密度優勢擊敗硬盤的一個典型例子。 |
NAND閃存器件是沒有活動部件的固態存儲器，它依賴於在半導體晶體管上存儲少量電荷的方式記憶數據。與此不同，硬盤則依賴於包含了旋轉盤片的機械系統，該盤片在磁存儲元件上記憶信息。NAND閃存和硬盤的密度一直都在顯著增加，其中硬盤的存儲容量每兩年會翻一番，而NAND閃存則每一年就會增加一倍。
NAND密度的年翻番是一項很了不起的技術成就，從目前的發展趨勢來看，這種翻番的速度在未來3年內仍將持續。這種密度翻番之所以引人注目的一個原因，就是它超越了摩爾定律給出的速度，摩爾定律預測芯片內的晶體管密度每18個月纔會翻一番。NAND閃存密度增加引發了另一個值得關注的現象：它已經取代DRAM成爲幾家半導體公司的技術驅動力量。這意味着NAND閃存製造所選用的是最先進的半導體工藝節點，領先於任何其它器件。例如，三星利用73nm工藝生產的第一款產品是4Gb的單級單元(SLC)NAND閃存，而東芝正在生產70nm的8Gb多級單元(MLC)NAND閃存。
硬盤也已經獲得了顯著的技術進步，能夠以相對小的佔位面積生產出大容量的元件。例如，3.5英寸雙碟硬盤的存儲能力高達320GB，而1、1.8以及2.5英寸小型硬盤的出現則爲更小巧且更先進的消費類產品(例如蘋果iPod)開發提供了可能。iPod Mini使用的是1英寸硬盤，它爲iPod Nano的發展鋪墊了道路；而iPod Video則使用了1.8英寸硬盤。
大容量和低每位成本是硬盤技術的主要優勢。這使得硬盤對需要大存儲容量的應用來說，是一種經濟型的存儲元件。目前，NAND技術在大容量的每位成本方面還無法與硬盤相抗衡。但反過來，NAND器件的體積更小、可靠性更高、功耗更低，而且速度和性能也較硬盤更優。NAND存儲元件通常比相同容量的硬盤體積更小，iPod Nano和iPod Mini在尺寸上的差異就是最好的證明。這兩款MP3播放器的存儲密度相當，但是Nano的體積卻更爲精巧，而且電池壽命也更長。
iPod Mini、iPod Nano和一款艾利和(IRiver)播放器都包含256Mb的SDRAM，但是iPod shuffle卻沒有獨立的DRAM緩衝器。因爲DRAM具有更快的讀寫速度，所以用它來裝載內容，之後音頻電路會訪問DRAM來播放音樂。在一個配有緩衝器的硬盤播放器中，硬盤在97%的時間內都是閒置的。僅當需要在DRAM緩衝器中添加內容時，硬盤纔會被激活，所以硬盤設備的功耗並沒有我們最初想象的那麼高。
硬盤的吞吐速度一般較NAND要低，但是既然音頻應用的使用者清楚得了解DRAM緩衝器的存在以及音頻速度的要求不高，那麼這就不是一個嚴重的問題。NAND閃存能夠提供低得多的延遲時間以及每秒高得多的讀寫速度，但是在處理大型文件，特別是音頻應用時，這種優勢並沒有太大的價值；但是在地址指令非順序執行的代碼應用中，它就顯得彌足珍貴。
硬盤和NAND器件的成本根據所需存儲容量的要求而大不相同。成本非常重要，它經常會左右針對一項特殊應用時該選擇何種存儲器類型。幾乎在任何密度下，硬盤都具有低得多的每Mb信息成本值，雖然這種優勢會隨着硬盤大小而出現不同。例如，1英寸硬盤具有比3.5英寸硬盤更低的成本/Mb比率。價格競爭力產生差異的原因在於：硬盤製造存在一個基本成本。這個基本成本來自於硬盤盒(casing)和馬達(motor)，但是一旦確定了這項開支，增加盤片尺寸就能夠顯著增加存儲容量，而隨之相應增加的成本則很少。
NAND存儲元件的成本則基於硅晶圓片的製造及切割成本。NAND閃存的單裸片成本比製造任何硬盤的成本都低，這也賦予了NAND閃存製造商吸引需要小容量非易失性存儲器應用的能力。但隨着對存儲容量要求的增加，NAND解決方案的成本將呈螺旋上升。大容量NAND存儲元件的成本迅速超過相同容量的硬盤解決方案。據目前的估計，兩種器件的成本等價交迭點大約爲2GB。現在，NAND閃存供應商正在急於將器件推向更先進的工藝節點，以降低單位裸片的成本並提高成本等價交迭點的密度。
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圖2：NAND密度每年翻番，較硬盤密度增加的速度快一倍。 |
在成本等價交迭點處，NAND閃存和硬盤在密度和成本方面具有可比性，也正是在這點，兩種技術常常在應用中激烈交鋒。
未來的NAND路線發展圖顯示，NAND密度將繼續每年翻番，而且比目前硬盤密度預期增長的速度更快。
硬盤或NAND器件的應用都很廣泛。考慮到每種技術都能夠提供顯著的優勢，所以多數應用僅會選擇二者中的一種。但是在少數應用中，硬盤和NAND器件會共同使用。
硬盤是PC和錄像設備類應用的理想選擇，此類應用需要以低成本實現大容量存儲。雖然三星等NAND公司已經發布了基於NAND的32GB閃存，但是基於NAND的存儲器不會馬上在這些領域得到重用。這些大容量的NAND閃存與硬盤解決方案相比可謂相當昂貴，因此僅可能在某些特定和高端應用中使用。
但是在某些應用中，兩種技術可以互相補充。便攜式電腦可能採用一種NAND/硬盤的組合存儲方案，在此將NAND閃存作爲緩存使用，這樣可以更長時間地關閉硬盤以降低功耗並增加可靠性。NAND元件還可以用來存儲備用操作系統，以使設備能夠從待命模式直接啓動。
NAND閃存對數碼照相機市場的發展功不可沒，雖然高性能照相機會使用硬盤，但是相信硬盤不太可能大規模入侵該領域。手機領域也是閃存的一統天下，但傳統上選用的是另一種閃存形式，即NOR閃存。手機製造商一直習慣於使用閃存，既然尺寸大小對這種應用至關重要，那麼製造商很可能會使用NAND閃存來滿足大容量存儲需求。
媒體存儲器
無論對硬盤還是NAND閃存而言，移動媒體播放器都是最具吸引力的應用，因爲這兩種存儲元件它都可以使用。在多數場合，NAND閃存控制了MP3播放器75%的市場份額；但是對較大容量存儲器的產品(例如移動媒體播放器)而言，硬盤則更爲合適。事實上，小體積硬盤催生了高密度的移動媒體播放器市場。容量在4到20GB的移動媒體播放器是NAND和硬盤競爭的戰場。NAND閃存播放器目前的容量達到了4GB，隨着更先進的閃存器件相繼問世，相信這個數值還會近一步加大。NAND閃存將逐步蠶食高密度播放器市場，至於其是否會主宰該市場，則在某種程度上取決於用戶的取向。如果他們更偏愛存儲容量適中的播放器，比如說16GB，那麼閃存將繼續占主導地位。
隨着媒體播放器逐漸開始整合視頻功能，對密度的需求也在逐漸上升，但是增加的幅度卻取決於所使用的視頻。現在預測便攜式視頻播放器到底偏愛哪種技術還爲時尚早。
NAND閃存和硬盤都已被證明能夠極大提升存儲容量，並可以實現新技術和新應用。總體來說，採用硬盤的應用具有較大的尺寸和大屏幕，功耗相應也較高；而採用NAND閃存的產品具有體積小、屏幕小、設計穩定等特點，適合對功耗敏感的場合。自然，上述應用會發生重疊，而這些重疊領域正是閃存和硬盤激烈爭奪市場份額的所在。但是這些市場還不足以決定任何一種技術的未來。在可預見的未來，NAND和硬盤仍將大批量出貨，雖然看起來NAND閃存將逐步蠶食硬盤的市場份額，但是相信新應用和新技術會爲這兩種技術打開新的應用領域之門。
作者：Geoff MacGillivray
存儲器技術研究經理
Semiconductor Insights
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