存储技术前瞻

数字图像、数字音乐和数字电影的出现预示着一场消费媒体的革命,它正开始驱动技术的发展,并将对新类型的存储系统和服务产生难以预测的需求。

闪速存储器和硬盘驱动器的制造商都制定了未来10年的发展蓝图,以响应市场的增长。不过,这个领域存在一些技术挑战。特别地,硬盘在未来两年将面临向垂直记录转变的历史性变革,而且设计师持续缩小硬盘尺寸的努力可能将遭遇瓶颈。

在实验室中正在酝酿许多有潜力的技术。最有前景的是探针(probe)存储,它有可能在未来18个月内成为新兴消费市场的热点。

“存储器件的消费类应用早已引起关注,但只是在过去18月,它们才开始进入个人视频录像机(PVR)、游戏机和新类型的系统,”迈拓公司(Maxtor)销售与行销副总裁Mike Cordano表示。

“这些市场仍然非常、非常年轻；大多数增长阶段仍在以后,”SanDisk公司创始人兼CEO Eli Harari表示。这家领先的闪存制造商最近取得创纪录的季度收入。“这个新的消费市场将受带有照相机、MP3播放器和视频功能的手机与融合设备所驱动,”他补充道。

领先硬盘制造商希捷公司的CTO Mark Kryder对此表示赞同。计算机的出货量正在接近每年2亿台,而手机一年的出货量将达到6亿部。苹果电脑自发布iPod Mini播放器以来已经售出15万部这样的设备。“这是一些庞大的市场,”Kryder表示。

“在数年前,个人拥有一个硬盘驱动器是件很不寻常的事。但几年后,一个家庭即使拥有10个硬盘也不足为奇,它们分别装配在电脑、机顶盒、视频录像机、MP3播放机甚至手机里,” 日立环球存储技术公司CTO John Best表示。

“显然,硬盘正在进入消费类设备,如Xbox、Tivo、MP3播放器、PDA及汽车售后导航系统等,”日立1英寸微硬盘业务发展经理John Osterhout表示,“这是非常显著的信号,标志着硬盘进入消费类领域的发展趋势。

不过,Best认为平衡消费领域出现的新机会与传统的但仍然巨大的计算机存储市场也很重要。

“在消费市场有许多令人兴奋的亮点,这是增长最快的领域,但它仍然非常小,”Best指出, “消费类电子产品将成为技术的驱动者,但不是唯一的驱动力。企业将继续致力于提高性能和可靠性,没有什么能改变这点。”

闪存vs.硬盘

新兴的消费市场加剧了闪存与硬盘存储器之间的竞争。在较小容量的应用中,闪存具有诸多优势,包括低功耗、小尺寸、耐久性好以及低成本等。在较高容量的应用中,硬盘具有最低的每兆字节成本,尽管它体积大、功耗高,而且通常耐久性较差。

在尺寸方面,即使是东芝正在规划的0.85英寸硬盘也可能不小于3.3mm高。与之相比,目前最纤巧的闪存卡仅1mm高。在价格方面,现在128MB的闪存售价低于30美元,而硬盘驱动器的典型起价大约是75美元/GB,限于其机械和电子元件的成本,它无法降到闪存的价位。

“并不是一种尺寸能满足所有的需求。不同的规格将符合不同的市场需求,”市场观察机构Web-Feet Research公司的首席执行官Alan Niebel表示。”

今天,1GB是一道非正式的分界线:在其上,硬盘通常更好；在其下,闪存更具吸引力。在三到五年内,这道分界线很可能转移到4GB。

双位闪存

为了在容量的竞赛中与硬盘保持同步,闪存制造商必须在每个存储器单元中存储两个数据位。目前,一些供应商是这样做的,而有一些还不是这样做的。通常,多级设计比较慢,这迫使厂商在配置上缴尽心思,以维持快速的读写周期。

“在闪存芯片中,试图让每个单元存储三个或更多数据位并不划算,”SanDisk的Harari表示。例如,一个三位单元需要8级信号差别,这意味着16-32级的粒度才能被有效检测到。

“这在实验室是可能的,但当运行在非常高的速度下时,这是不实际的,”Harari说。

不过,CMOS工艺尺寸缩小的基本原理为闪存提供了很大的发展空间。Harari估计,当业界在大约5年后达到40nm技术时,今天以90nm工艺制造的500MB芯片将变成一个4GB(32Gb)的芯片。

“在过去13年里,我们已经从4Mb发展到4Gb芯片。虽然我不认为在未来13年里我们将达到4Tb,但在遭遇重大的瓶颈之前,我们仍然有很大的发展余地,”他表示。

硬盘的发展壁垒

硬盘制造商想方设法欲在一块盘片上放入更多的数据位,但他们要想把硬盘设计得比现在的1英寸模型小却很难。尽管东芝正在开发0.85英寸的硬盘,而且东芝和其它厂商已经在实验室设计出0.5英寸硬盘,但许多硬盘制造商认为这些设计是不可行的。

“在我们目前所处的阶段,事情开始变得真正困难。我们的观点是,小于1英寸的硬盘是没有意义的,”日立的Best表示。

他列举了一些简单的因素,如减小的动力和增大的空气阻力,这将为小于1英寸的硬盘创建完全不同的动力学。“即使东芝的0.85英寸硬盘现在也不具备足够的实际意义,而且它可能不会再向前发展,”他补充道。

希捷公司的Kryder不同意他的观点。“我认为0.85英寸硬盘可能对手机有意义。如果你能将它制造成SD闪存卡的规格,这将打开一些市场的大门。”他说,“问题是何时是进入这个领域的恰当时机。IBM在约5年前就推出了它的1英寸微硬盘,但直到现在才找到重大的市场。”

MP3主宰发展步伐

今天,硬盘的消费热点在MP3播放器。苹果公司售出的iPod比Mac还多,与此同时,微软、索尼甚至沃尔玛的网站正在迅速加入苹果和好莱坞电影厂的行列提供新的在线音乐服务。“我们认为近期内这个市场是超小尺寸硬盘的最佳商机,”迈拓的Cordano表示。

“在3到5年里,数字音乐的前景非常乐观,”日立的Osterhout表示赞同。该公司最近获得向iPod Mini提供微硬盘的订单。“目前,MP3播放器的发展存在许多惯性。我不认为在未来三到五年它会按常规发展。在这个市场有很多公司,但更多的仍处于观望状态,”他补充道。闪存制造商已经在该市场立足。Sandisk的Harari认为,随着这些播放器从今天的299美元 降低到普通音乐迷可以接受的99美元,闪存将占据市场主导地位。

“苹果的iPod概念不适合于入门级系统。闪存主导音乐播放器市场只是时间问题而已,” Harari说。

对存储的强劲需求

不过,目前的趋势是偏向带硬盘的MP3播放器,因为它在高容量的情况下具有更低的成本。但闪存似乎将进入手机,用于兆级存储,因为它在中等容量的情况下具有体积小、功耗低和耐用性好等优势。

多媒体手机的存储能力将从现在使用的50MB增长到2007年的1GB,Harari 表示。

Web-Feet研究公司的Niebel估计,目前闪存卡与1英寸硬盘的收入之比为7:1,该值将在2008年上升至近20:1。主要原因在于闪存而不是硬盘将成为手机存储的主要介质。

“我认为,闪存凭借它的小尺寸、耐用性、低功耗和中等价位等优势将成为手机的主要存储技术,”Niebel解释道。

在未来4年,某些手机上出现的视频功能可能需要更大的存储容量,从而为硬盘敞开大门。“但届时,闪存将在手机中得到普遍应用,硬盘要想抢占市场就很困难了,”Niebel表示。

例外的是高端智能电话和个人媒体播放器。迈拓的Cordano指出,日本正在为手机推出卫星电视广播服务,这驱动了存储需求,并可能催生移动PVR等产品。

手机制造商仍然在对未来应用、消费需求和存储技术做早期评估。“不过,我相信1英寸硬盘将出现在一些手机中,”Osterhout表示,“三到五年后,我们可以回顾分析这部分市场的发展步伐。”

Osterhout希望硬盘制造商能够利用在MP3播放器方面的强势赢得手机的设计中标。“我不知道有多少MP3播放器将变成手机。即使只获得一部分的移动电话市场也很有意义,”他说。

与之相反,SanDisk的Harari把手机视为闪存的世界。“大多数新款中端和高端手机都采用卡插槽,而这些卡插槽大部分又采用闪存的小外型因子,”他说。

Harari列举了至少四种新的超小闪存卡外型因子,最小的是他自己公司新推出的TransFlash,大小为11 x 15 x 1 mm,可以作为内部元件像电池一样嵌入在手机里。“它基本上是裸片的大小,”Harari说。

摩托罗拉是TransFlash的早期用户,采用该闪存的V710手机兼具MP3播放器和视频录像机的功能。在第一季度,SanDisk销售出30万块TransFlash卡。“我预计这将是一款飞速增长的产品,”Harari说。

多样化市场

一个更小但意义重大的消费市场是汽车导航和娱乐系统的存储应用,它才刚开始起步。不过,汽车制造商需要工作范围在-40℃到85℃的硬盘,而硬盘制造商目前还无法提供这样的产品,但许多厂家正致力于这方面的研究。

另一个新兴的消费市场是迈拓称为“共享式家庭存储盒”的设备,它能作为机顶盒、PC或数字电视的网络媒体存储库。

“目前,它主要用于共享数据文件,但未来将发展为共享娱乐媒体。”Cordano表示。他的公司正在开发中间件来管理在消费硬盘上的多种数字视频流。“你将看到该技术在2005年开始进入市场,并会随着时间推移而变得更成熟,”他补充道。

把所有新兴的消费市场集中在一起,你将看到一幅各种不同尺寸产品的画卷。

“几年前,一家企业可以利用企业、台式和笔记本电脑硬盘覆盖大部分市场。如果你想与众不同,你可以开发10k 和15k rpm版本的服务器硬盘。”希捷公司的Kryder表示。

“然而,今天我们涵盖了97%的市场,但这是推出了12种产品才做到的。而且我们将需要更多种类的产品。”他说,“下一代市场可能需要20种产品,其中很多是由PVR、iPod和手机等消费市场催生的。”

日立宣称,它凭借3.5、2.5和1英寸硬盘的产品线覆盖了前沿市场。但许多其它公司正在积极追赶。

例如,迈拓将未来压在新兴的消费市场上,它的3.5英寸硬盘已经在多达50个机顶盒项目中取得设计中标。不过,它正计划明年推出2.5英寸及更小的硬盘,以扩展它的3.5英寸产品线,从而控制开发成本。

“我认为,这个市场将出现几种成功的外型因子,”迈拓的Cordano表示,“现在,我们内部正在敲定超小尺寸硬盘的计划,但直到今年底或明年初才会公开。”

垂直记录

硬盘未来的另一个大变化是从在磁盘表面纵向地存储磁电荷转向垂直存储电荷。我们很难将水平电荷紧密地结合在一起,而垂直电荷可以自然耦合,这为实现更小的存储轨道打开了大门,使我们可以在单位轨道面积上存储更多的数据位。

“这是一个大变化。读写磁头、介质、信号处理和伺服都完全不一样。它可能是自1956年发明硬盘以来最大的变化。”希捷公司的Kryder表示。他曾在Carnegie-Mellon大学从事过该项技术的研究。

专家预期硬盘将从2005底开始向垂直记录转移。

“纵向记录已经没有太多的延伸余地,”Kryder说,“该技术也许能实现160GB的单盘片容量,但不可能提升至200 GB,更无法达到300GB。因此,你将看到业界开始争论何时引入垂直记录技术。”

“该技术使我们可以接近每平方英寸Tb(terabit)级的容量。到达这个级别时,一个3.5英寸的硬盘将可以存储超过1TB(terabyte)的信息。”他补充道。

日立的Best表示:“在它的头两代技术中,垂直记录可能可以使面积密度适度增大约2或3倍。”

当垂直记录与新一代所谓的“晶格介质(patterned media)”相结合时将产生更大的进步,Best说。

“我本人热衷于晶格介质存储技术,但我无法预测它的面世时间,”Best表示。它可能在热辅助存储技术之前、之后出现或者与之同时出现。在热辅助存储技术中,磁盘上的点被加热,作为精确读写处理过程的一部分。

“我们在晶格介质和热辅助存储上都做了大量工作,但它们在五年内不会走向商用,”Kryder表示。

在硬盘研发中,一个越来越要优先考虑的指标是可靠性,无论它是被用作商业产品还是消费产品。

“我们希望硬盘的可靠性比今天高10倍,而且我们认为这是可行的。这在过去不是业界的衡量指标,但它现在非常重要,”Kryder说。

为了提高可靠性,业界已经展开一些前沿工作,如提高读写头、介质的工作性能以及改善信噪比等。尚不明确的研发方向包括自动监控硬盘性能的能力、预估和避免可能的失败以及其它Kryder拒绝讨论的功能。

技术“黑马”

大多数研究人员认为,在当前的实验室研究中,探针存储是最有前途的存储技术。通常,探针存储使用一个微机电系统(MEMS)探针从一个半导体芯片大小的器件上按位读取上千兆的数据阵列。它所需的介质类型和读写机制是目前争论的焦点。

今年三月,只有10名员工的新创公司Nanochip在第二轮融资中募集到2,000万美元资金,这将帮助它实现探针存储技术的商业化。该公司宣称,它的MEMS芯片可以与1英寸硬盘和闪存卡竞争,旨在为数码照相机、MP3播放机、PDA和手机提供GB级的存储容量。

该公司已经与2家晶圆代工厂结盟,并准备在2005年底之前推出产品。

凭借其庞大的资源,IBM已经制造出原型,但它仍然认为这项在其瑞士苏黎士实验室和加州圣荷塞实验室进行的工作只是一个非常有前途的研究项目。在2002年中期,IBM展示了密度高达万亿比特/平方英寸的样品,并宣称Millipede技术能提供密度比传统存储技术高20倍的产品。

但IBM拒绝了关于Millipede项目进展状况和发展前景的采访请求。

惠普实验室的探针存储研究项目也已经进行了几年。惠普目前正在积极授权它的原子量级存储(Atomic Resolution Storage)技术。该公司的发言人表示:“我们已经确定该技术不是惠普的核心业务,所以实验室希望把资源转移到其它项目上。”

“假如探针存储成功的话,它可能将定位在闪存与硬盘之间的市场,”希捷公司的Kryder表示。他正带领着一个内部团队研究该项技术。

“探针存储必须比硬盘便宜,比闪存容量大。如果它能做到这些,我想它将占有一定市场,”Kryder说。

“要做到这些的关键是找到正确的读写头和介质机制。这是目前还没有达成共识的领域,”他补充道。

IBM的Millipede使用一种锯齿状的聚合物方案,其擦除机制是通过加热把凸出的锯齿压回原形。而Nanochip采用一种相位变化技术,与光盘使用的技术非常类似。

日立也在尝试研发探针存储技术。不过,Best harbors怀疑这项技术的前景。“探针存储并不能缩小成几个平方英寸大小的产品。我怀疑它能否在大多数应用中取代硬盘或闪存,”他说。

SanDisk公司的Harari对此更持怀疑态度,称探针存储只是实验室的“好奇产物”。

事实上,观察家没有发现其它存储技术会成为未来5年的“黑马”。尽管分析家Niebel正在追踪30多种不同的方案,但也没有特别的发现。

宣传最多的方案之一是MRAM,但它无法达到闪存或硬盘的容量,Niebel说。经常被讨论的全息存储概念则在数年内无法找到合适的材料。

“我认为在未来十年内,没有一种可行的新技术能够替代硬盘。”Best表示,“如果不考虑光存储,我看不到任何技术将成为硬盘驱动器的劲敌。”

作者:麦利