便携时代从竞争到共存的HDD与NAND闪存

HDD的诞生

上世纪50年代初，IBM公司制造出使用穿孔卡的计算机。在随后出现的磁带存储器的威胁下，IBM公司进行了一系列的研发，最终开发出内含50片24英寸磁盘、容量达5MB的IBM 350 Disk Storage Unit，这是全球第一台硬盘存储系统，是今天的HDD的始祖。

此后，IBM相继发布了多项用于提高HDD存储密度的新技术，动压式浮动磁头、磁道伺服、CSS(contact start stop，接触启停)等方式都成为了后来HDD的基本技术。基于这些技术，l981年IBM推出容量超过1GB大关的3380，其面记录密度达到当时其它产品的6000倍。

低成本与高密度

70年代末问世的PC对存储器的小型化及低成本化提出了与以往截然不同的要求，揭开了新时代的大幕。1980年，希捷公司推出全球第一台5.25英寸的 HDD——ST-506，与当时14英寸的主流产品相比，其尺寸缩小了一半以上，而5MB的容量与当时的最大容量相当。除尺寸缩小外，这款产品的结构得到大大简化，价格也有所下降。

低成本的小型HDD市场随着PC的普及而获得爆发性增长，出现了以希捷公司为首的一批新兴企业，而以通用大型机产品为中心的IBM明显落后，其它一些专注于高密度技术开发的企业也被市场甩在了后面。
时间跨入90年代，笔记本电脑登场。对于外形尺寸较小的笔记本电脑来说，5.25英寸和3.5英寸的HDD显得过大，因此对高密度且更小尺寸的HDD的需求增加。这为大容量的2.5英寸HDD创造了机遇，而对价格的要求则有所松动。IBM咸鱼翻身，采用MR(磁阻)头成功开发出面记录密度高达 1Gb/in2的技术，比当时其它产品的面记录密度高出15倍~30倍。IBM凭借应用该技术的2.5英寸HDD重新夺得了市场份额，并坚定地沿着高密度化的道路前进。1994年，IBM根据GMR(巨磁阻)效应开发出灵敏度更高的磁头，使得HDD的面记录密度达到了10Gb/in2。

小型化HDD遭遇打击

从5.25英寸缩小到2.5英寸后，HDD仍然继续朝着小型化的方向发展。l991年，美国Intgra1 Peripherals公司推出1.8英寸产品；1992年，惠普公司推出1.3英寸产品；l999年，IBM又推出l英寸的HDD产品 MicroDrive。各公司希望能不断开发出HDD新的应用市场，尤其寄望于比笔记本电脑更小、可随身携带的超小型PC。但是，尽管多次挑战，但都未能打开市场。

令人意外的是，便携式数字消费电子设备对HDD伸出了援助之手。苹果公司于2001年推出的iPod中采用了5GB的1.8英寸HDD，2004年又上市了内置1英寸HDD的产品。随着iPod的日益流行，1.8英寸和1英寸HDD的出货量也不断增长。但是，2005年苹果公司推出的iPod nano产品采用4GB的NAND闪存取代了1英寸的HDD，失去大笔客户的1英寸HDD遭受毁灭性的打击。

数字消费设备培育的NAND闪存

NAND闪存与1.8英寸HDD一样问世于20世纪90年代初，应用目标也瞄准超小型PC，结果同样陷于哭笑不得的态势。直到1995年数码相机异军突起，在像素竞争中点燃了低价格、大容量存储卡的需求之火，NAND闪存的高密度化由此获得顺利发展。在价格逐步降低的同时，应用也扩大到了USB存储器、手机和音乐播放器等新市场。

现在，NAND闪存的价格已经可以满足PC的容量需求。当初所期望的超小型PC产品都开始采用16GB的NAND闪存或基于NAND闪存的SSD(固态硬盘)。以苹果iPhone为首的智能电话和上网本等都配置了NAND闪存，有些笔记本电脑甚至也开始采用SSD。

共存与互补

那么，这两种存储器会统一么？目前来看答案是否定的，NAND闪存和HDD之间没有替代关系，而是共存互补的关系。智能手机和上网本都有高速发展的迹象，NAND闪存也就有可能获得比现在更大得多的市场。但是，智能手机与上网本都需要比HDD价格更低的存储器。不久的未来，NAND闪存存储容量将可达到l00GB，价格或许也可与HDD相匹敌。目前16GB NAND闪存的大批量订货价格约为2美元/片，已在1美元/GB的水平之下。100GB的SSD也正在传统笔记本电脑中逐渐得到应用。

面向PC应用的小型HDD如今已逼退了大型机中使用的大型HDD，那么，NAND闪存和HDD之间也会发生这样的情况吗？现在看来可能性很小，因为NAND闪存的高密度化尚前途未卜(见图1)。


图1 HDD和NAND闪存发展的障碍

在实现了新一代的30nm工艺与64Gb芯片的量产之后，NAND闪存的制造工艺微细化将日益困难，维持传统的单元技术已不可能。为了提高密度，新产品需要引入4位/单元的多值技术和单元叠层技术等，而这些技术还没有进入实际的产品化阶段。

对于HDD来说，经过近30年的发展，上世纪70年代提出的垂直磁记录方式已于2005年进入实用化，利用该技术，HDD可望在2011~2012年达到1T/in2的面记录密度。此后，便要寄希望于热辅助磁记录和晶格介质(patterned mdia)等新技术。

换言之，HDD和NAND闪存在未来几年内都将面临记录密度发展停滞的问题。按照当前的状况，2012年之前，NAND闪存和2.5英寸HDD的价格将差2倍，和3.5英寸HDD差5倍。未来技术发展难度加大，前途并不明朗，不能说哪种技术一定会占据压倒性优势。

在现有的价格差距下，包括笔记本电脑在内的各种便携设备全都采用NAND闪存并非不可能，而需要极大容量的服务器则不会配置价钱较高的闪存。NAND闪存容量小、速度快；HDD容量大、价格低，它们处于存储器体系结构中的不同层次(见图2)。


图2 存储器体系结构

或许各种便携设备会采用100GB的NAND闪存，而网络服务器则将配备数TB以上的HDD。  

作者：Tech-On!网站副总编 今井拓司    来源:电子设计应用2009年第11期