苹果iPod这类移动音频设备的迅速普及，将人们的目光重新汇聚到两种主要的非易失性存储器——NAND闪存和硬盘。从传统意义上讲，硬盘曾是海量存储的首选媒介，但是最近NAND闪存的增长速度却颇令人关注。NAND闪存密度的不断增加使人们不禁产生了这样的想法：NAND闪存马上就会取代硬盘成为数据存储的主导技术。但是，硬盘在许多市场上已经根深蒂固，而且在某些方面具有超越闪存的明显优势。这意味着，任何大规模向NAND的转变都不太可能，而且或许也不必要。从长远角度来看，哪种技术将成为主导尚不明朗，但是在短期内，硬盘和NAND闪存将在某些市场短兵相接。
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图1: 苹果的iPod Nano较iPod Mini在尺寸上的胜出，就是NAND闪存凭借体积和密度优势击败硬盘的一个典型例子。 |
NAND闪存器件是没有活动部件的固态存储器，它依赖于在半导体晶体管上存储少量电荷的方式记忆数据。与此不同，硬盘则依赖于包含了旋转盘片的机械系统，该盘片在磁存储元件上记忆信息。NAND闪存和硬盘的密度一直都在显著增加，其中硬盘的存储容量每两年会翻一番，而NAND闪存则每一年就会增加一倍。
NAND密度的年翻番是一项很了不起的技术成就，从目前的发展趋势来看，这种翻番的速度在未来3年内仍将持续。这种密度翻番之所以引人注目的一个原因，就是它超越了摩尔定律给出的速度，摩尔定律预测芯片内的晶体管密度每18个月才会翻一番。NAND闪存密度增加引发了另一个值得关注的现象：它已经取代DRAM成为几家半导体公司的技术驱动力量。这意味着NAND闪存制造所选用的是最先进的半导体工艺节点，领先于任何其它器件。例如，三星利用73nm工艺生产的第一款产品是4Gb的单级单元(SLC)NAND闪存，而东芝正在生产70nm的8Gb多级单元(MLC)NAND闪存。
硬盘也已经获得了显著的技术进步，能够以相对小的占位面积生产出大容量的元件。例如，3.5英寸双碟硬盘的存储能力高达320GB，而1、1.8以及2.5英寸小型硬盘的出现则为更小巧且更先进的消费类产品(例如苹果iPod)开发提供了可能。iPod Mini使用的是1英寸硬盘，它为iPod Nano的发展铺垫了道路；而iPod Video则使用了1.8英寸硬盘。
大容量和低每位成本是硬盘技术的主要优势。这使得硬盘对需要大存储容量的应用来说，是一种经济型的存储元件。目前，NAND技术在大容量的每位成本方面还无法与硬盘相抗衡。但反过来，NAND器件的体积更小、可靠性更高、功耗更低，而且速度和性能也较硬盘更优。NAND存储元件通常比相同容量的硬盘体积更小，iPod Nano和iPod Mini在尺寸上的差异就是最好的证明。这两款MP3播放器的存储密度相当，但是Nano的体积却更为精巧，而且电池寿命也更长。
iPod Mini、iPod Nano和一款艾利和(IRiver)播放器都包含256Mb的SDRAM，但是iPod shuffle却没有独立的DRAM缓冲器。因为DRAM具有更快的读写速度，所以用它来装载内容，之后音频电路会访问DRAM来播放音乐。在一个配有缓冲器的硬盘播放器中，硬盘在97%的时间内都是闲置的。仅当需要在DRAM缓冲器中添加内容时，硬盘才会被激活，所以硬盘设备的功耗并没有我们最初想象的那么高。
硬盘的吞吐速度一般较NAND要低，但是既然音频应用的使用者清楚得了解DRAM缓冲器的存在以及音频速度的要求不高，那么这就不是一个严重的问题。NAND闪存能够提供低得多的延迟时间以及每秒高得多的读写速度，但是在处理大型文件，特别是音频应用时，这种优势并没有太大的价值；但是在地址指令非顺序执行的代码应用中，它就显得弥足珍贵。
硬盘和NAND器件的成本根据所需存储容量的要求而大不相同。成本非常重要，它经常会左右针对一项特殊应用时该选择何种存储器类型。几乎在任何密度下，硬盘都具有低得多的每Mb信息成本值，虽然这种优势会随着硬盘大小而出现不同。例如，1英寸硬盘具有比3.5英寸硬盘更低的成本/Mb比率。价格竞争力产生差异的原因在于：硬盘制造存在一个基本成本。这个基本成本来自于硬盘盒(casing)和马达(motor)，但是一旦确定了这项开支，增加盘片尺寸就能够显著增加存储容量，而随之相应增加的成本则很少。
NAND存储元件的成本则基于硅晶圆片的制造及切割成本。NAND闪存的单裸片成本比制造任何硬盘的成本都低，这也赋予了NAND闪存制造商吸引需要小容量非易失性存储器应用的能力。但随着对存储容量要求的增加，NAND解决方案的成本将呈螺旋上升。大容量NAND存储元件的成本迅速超过相同容量的硬盘解决方案。据目前的估计，两种器件的成本等价交迭点大约为2GB。现在，NAND闪存供应商正在急于将器件推向更先进的工艺节点，以降低单位裸片的成本并提高成本等价交迭点的密度。
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图2：NAND密度每年翻番，较硬盘密度增加的速度快一倍。 |
在成本等价交迭点处，NAND闪存和硬盘在密度和成本方面具有可比性，也正是在这点，两种技术常常在应用中激烈交锋。
未来的NAND路线发展图显示，NAND密度将继续每年翻番，而且比目前硬盘密度预期增长的速度更快。
硬盘或NAND器件的应用都很广泛。考虑到每种技术都能够提供显著的优势，所以多数应用仅会选择二者中的一种。但是在少数应用中，硬盘和NAND器件会共同使用。
硬盘是PC和录像设备类应用的理想选择，此类应用需要以低成本实现大容量存储。虽然三星等NAND公司已经发布了基于NAND的32GB闪存，但是基于NAND的存储器不会马上在这些领域得到重用。这些大容量的NAND闪存与硬盘解决方案相比可谓相当昂贵，因此仅可能在某些特定和高端应用中使用。
但是在某些应用中，两种技术可以互相补充。便携式电脑可能采用一种NAND/硬盘的组合存储方案，在此将NAND闪存作为缓存使用，这样可以更长时间地关闭硬盘以降低功耗并增加可靠性。NAND元件还可以用来存储备用操作系统，以使设备能够从待命模式直接启动。
NAND闪存对数码照相机市场的发展功不可没，虽然高性能照相机会使用硬盘，但是相信硬盘不太可能大规模入侵该领域。手机领域也是闪存的一统天下，但传统上选用的是另一种闪存形式，即NOR闪存。手机制造商一直习惯于使用闪存，既然尺寸大小对这种应用至关重要，那么制造商很可能会使用NAND闪存来满足大容量存储需求。
媒体存储器
无论对硬盘还是NAND闪存而言，移动媒体播放器都是最具吸引力的应用，因为这两种存储元件它都可以使用。在多数场合，NAND闪存控制了MP3播放器75%的市场份额；但是对较大容量存储器的产品(例如移动媒体播放器)而言，硬盘则更为合适。事实上，小体积硬盘催生了高密度的移动媒体播放器市场。容量在4到20GB的移动媒体播放器是NAND和硬盘竞争的战场。NAND闪存播放器目前的容量达到了4GB，随着更先进的闪存器件相继问世，相信这个数值还会近一步加大。NAND闪存将逐步蚕食高密度播放器市场，至于其是否会主宰该市场，则在某种程度上取决于用户的取向。如果他们更偏爱存储容量适中的播放器，比如说16GB，那么闪存将继续占主导地位。
随着媒体播放器逐渐开始整合视频功能，对密度的需求也在逐渐上升，但是增加的幅度却取决于所使用的视频。现在预测便携式视频播放器到底偏爱哪种技术还为时尚早。
NAND闪存和硬盘都已被证明能够极大提升存储容量，并可以实现新技术和新应用。总体来说，采用硬盘的应用具有较大的尺寸和大屏幕，功耗相应也较高；而采用NAND闪存的产品具有体积小、屏幕小、设计稳定等特点，适合对功耗敏感的场合。自然，上述应用会发生重叠，而这些重叠领域正是闪存和硬盘激烈争夺市场份额的所在。但是这些市场还不足以决定任何一种技术的未来。在可预见的未来，NAND和硬盘仍将大批量出货，虽然看起来NAND闪存将逐步蚕食硬盘的市场份额，但是相信新应用和新技术会为这两种技术打开新的应用领域之门。
作者：Geoff MacGillivray
存储器技术研究经理
Semiconductor Insights
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