[讨论] NAND闪存的写入限制与发展

在过去的三年中，咨询公司以及一些业界机构一直都对NAND闪存能否在一段时间内持续处理大量写入操作持有怀疑态度，而这也就是我们一直所说的NAND写入的限制问题，而这些疑问最终则引起了人们对NAND闪存技术可靠性、成本和耐用性等方面的疑问，尤其是NAND闪存关乎着固态硬盘技术的发展。
　　但问题是，写入问题确实是NAND闪存的在企业级应用中的一个限制么？在作为闪存最大的市场——手机和数字音乐播放器等消费市场方面这并不是一个主要问题，但是，随着NAND闪存进入企业级市场问题就不一样了，随着NAND闪存被越来越多应用到企业级存储产品中，这些问题的重要性就逐渐凸显出来。
　　“NAND的写入限制对于最终用户并不是真正意义上的问题，”网络存储行业协会（SNIA）主席、同时也是EMC高管的Wayne Adams对此问题谈到，“当你买一辆车的时候，最优化的选择是买一辆燃油混合动力车，但是你并不了解所有的工程设计是如何进入汽车内并让汽车行驶起来的。这与NAND技术遇到的情形有些类似。工程算法被用于增强NAND性能，事实上，类似的技术也正在被用来优化采用硬盘驱动器的系统解决数据迁移时的局限性，存储介质中，总会有某些部分介质是无效的，我们的工程师正在解决这些限制。”
　　目前的现状是，SLC NAND一般支持100000次写入操作，而MLC NAND闪存支持的写入操作数大概只是前者的十分之一。
　　通过使用各种磨损平整将损耗均匀分布在NAND设备中的损耗均衡（wear-leveling）算法，制造商在他们的产品设计解决方案中采用NAND来解决写入低效率的问题，将NAND使用期限延长到和硬盘驱动器一样的三至五年，IT决策者们之所以会选择它是因为其能够满足他们三至五年的资产折旧周期。
　　这种延长NAND闪存生命的做法因厂商和应用的不同而不同，但是损耗均衡的总原则就是在以损耗最小的前提下，直接均衡的写入NAND块中来确保NAND设备的均衡应用。
　　前不久美光公司展示了一个NAND设备样本，这个样本总计有4064个块，允许块的损坏率在2.5%，每隔10分钟就对三个占用50个块的文件进行更新，同时NAND主机采用相同的200个物理块进行更新。
　　如果没有损耗均衡，那么10000个周期×200个更新块/每个文件50个块×每个小时6个文件×24个小时大约等于278天，或者不到一年的NAND设备使用期限。
　　而应用了损耗均衡之后，10000个周期×4096个平均使用的块/每个文件50个块×每个小时6个文件×24个小时大约等于5689天，或者超过10年的NAND设备使用期限。
　　“这确实是NAND闪存技术的一个特点，我们需要损耗控制以提供最佳性能并延长寿命，”SNIA委员会主席、同时也是IBM高管的Phil Mills表示，“损耗均衡算法是针对NAND闪存的写入/擦除周期问题所设计的，目的是让NAND闪存能够在长寿方面等同于硬盘驱动器。”
　　Mills认为，NAND闪存技术在写入特性方面碰到的局限性问题与其他技术相比并不是固有的，“如果你需要硬盘的预期寿命的3~5年的话，那么驱动器机械故障，通常是导致磁盘磁头损坏的根源，因为往往磁头会因与介质挨得太近而接触到介质并损坏数据。”他表示，“这种类型的故障的发生往往难以预测，而NAND闪存，则是完全的电子器件和半导体产品。两者的故障机制是不同类型的，你写入越来越多的数据，进行写入操作之后，NAND闪存的故障率就会增加，写入操作出现故障，这让你必须在彻底失败前必须采取行动。”
　　NAND闪存研究最活跃的领域是在应用于企业级计算的MLC NAND，其提供了更大的密度远远超过SLC NAND，虽然MLC NAND今天正在被用于企业计算，但是其较低的写入能力是阻碍其应用的原因之一。“从本质上说，SLC NAND是NAND闪存技术的第一代产品，每个单元中只有一个位。随着技术的发展和闪存的解放运动，那么MLC的一个单元中有2个、3个甚至更多个位。可靠性方面的问题是，一旦密度提高，每个位的写入次数就会缩减。因此，现在我们要做的就是，找出一种利用MLC获得企业级可靠性、同时还要有降低成本的方法。”
　　更高的性能和更低的配置成本（如大量的传统磁盘可以用少量的固态硬盘来代替）是推动NAND闪存和固态硬盘发展的两大优势，NAND闪存的制造商们的近期目标就是让他们的固态硬盘或是NAND闪存在寿命方面等同于传统磁盘驱动器，这时就是用了损耗均衡算法，这些算法让NAND闪存和SSD的使用期限延长到3～5年，使上面所说的写入局限性不再是一个难题，但可惜的是对解决MLC写入限制的探索仍在继续。
　　“随着这些技术的在市场上被应用，他们每一个都会找到属于自己的性价比的关键点以及在市场竞争中所扮演的角色。我们可能我们可能会看到这些技术被集成到企业级生命周期管理系统中，各种生活污水处理设备，无阀过滤器，环保配件价格优惠，焊管、冷却器、油缸缸筒、液压油缸、橡胶机械、橡塑机械、叉车、喷塑、汽车空调压缩机、结晶器铜管总成、护栏、除尘设备、金刚石钻头、精密钢管、无缝钢管、橡塑保温、接线端子、输送机保护、防爆灯、液压件、耐腐泵、抛丸机代理销售、油缸、液压缸、活塞杆、电炉、点焊机、对焊机、保护膜、电脑剥线机、MBR膜生物反应器、电子包装袋这种系统由那些性能与SSD和硬盘接近的分层存储构成。” 许多大型科技厂商正在投入大量资源来开发更好和更便宜的NAND闪存技术，他们预计市场将持续增长。主要参与者包括美光、英特尔、三星、意法半导体、SanDisk以及东芝等厂商。市场调研公司Gartner最初预计今年整个NAND市场将增长30%，但是由于市场疲软和供过于求等原因，Gartner已经宣布把这个预期降低至原来的一半。另据分析师预计，整个NAND消费市场和企业级市场的总收入在500~600亿美元之间，而且因为持续下滑的消费水平和需求，这一水平将会持续保留到2012年。
　　技术供应商们也在研究一些其他的技术，以延长其产品的使用参数，美光科技本周披露，其与Sun微系统公司合作开发基于SLC的企业级NAND技术，实现了100万个写入周期，其写入/擦除周期高于目前市场中任何一种NAND技术，不过目前两家厂商还没有公布这些技术的细节。