闪存的发展综述

闪存的发展综述

摘要 如今，企业数据存储市场正在快速增长，其市场核心是闪存。闪存市场

增长强劲，闪存正变得越来越不可或缺，以帮助数据中心运营商和存储厂商迎接

下一代工作负载正在重塑的 IT 景观。闪存作为一种高性能的解决方案，通常将

闪存封装到固态硬盘驱动器(SSD)中，可以解决影响服务器中基于机械硬盘的存

储阵列和存储子系统的性能问题。此外还有一个额外的好处，就是比机械硬盘

(HDD)消耗更少的电力，从而帮助严重依赖大型存储基础设施的数据中心和组织

控制能耗。自 2011 年存储产品供应商开始使用闪存作为持久数据存储，而不只

是用于提升应用程序处理速度的缓存层以来，闪存的发展已经走过了漫长的道

路。价格下降也改变了在存储区域网络(SAN)中部署基于闪存的存储阵列的经济

性。虽然与基于机械硬盘的系统相比，闪存每千兆字节的价格仍然相当昂贵，但

SATA 和 SAS 固态硬盘阵列已经越来越接近企业的承受能力，因为越来越多的企

业不希望其存储网络阻碍其提供的响应应用体验的能力。

关键词： 闪存 基本原理 发展过程 未来

一 什么是闪存

闪存(Flash Memory)是一种长寿命的非易失性(在断电情况下仍能保持所存

储的数据信息)的存储器，数据删除不是以单个的字节为单位而是以固定的区块

为单位(注意:NOR Flash 为字节存储。)，区块大小一般为 256KB 到 20MB。闪存

是电子可擦除只读存储器(EEPROM)的变种，闪存与 EEPROM 不同的是，EEPROM 能

在字节水平上进行删除和重写而不是整个芯片擦写，而闪存的大部分芯片需要块

擦除。由于其断电时仍能保存数据，闪存通常被用来保存设置信息，如在电脑的

BIOS(基本程序)、PDA(个人数字助理)、数码相机中保存资料等。

二 闪存的基本原理和特点

经典物理学认为

物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不能越过，大于此能

量则可以越过。例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能

靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。

量子力学则认为

即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有

一些粒子能过去，好象有一个隧道，称作“量子隧道（quantum tunneling）”。

可见，宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下，隧

道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧穿几率极小，但在某些特定的条件下宏

观的隧道效应也会出现。

1957 年，受雇于索尼公司的江崎玲於奈（Leo Esaki，1940～）在改良高频 晶体管 2T7 的过程中发现，当增加 PN 结两端的电压时电流反而减少，江崎玲於

奈将这种反常的负电阻现象解释为隧道效应。此后，江崎利用这一效应制成了隧

道二极管（也称江崎二极管）。1960 年，美裔挪威籍科学家加埃沃（Ivan Giaever，

1929～）通过实验证明了在超导体隧道结中存在单电子隧道效应。在此之前的

1956 年出现的“库珀对”及 BCS 理论被公认为是对超导现象的完美解释，单电

子隧道效应无疑是对超导理论的一个重要补充。1962 年，年仅 20 岁的英国剑桥

大学实验物理学研究生约瑟夫森（Brian David Josephson，1940～）预言，当

两个超导体之间设置一个绝缘薄层构成 SIS（Superconductor-Insulator-

Superconductor）时，电子可以穿过绝缘体从一个超导体到达另一个超导体。约

瑟夫森的这一预言不久就为 P.W.安德森和 J.M.罗厄耳的实验 观测所证实——

电子对通过两块超导金属间的薄绝缘层（厚度约为 10 埃）时发生了隧道效应，

于是称之为“约瑟夫森效应”。

宏观量子隧道效应确立了微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进

一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当

电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而穿透绝缘层，使器件无法正

常工作。因此，宏观量子隧道效应已成为微电子学、光电子学中的重要理论。

闪存的存储单元为三端器件，与场效应管有相同的名称：源极、漏极和栅极。

栅极与硅衬底之间有二氧化硅绝缘层，用来保护浮置栅极中的电荷不会泄漏。采

用这种结构，使得存储单元具有了电荷保持能力，就像是装进瓶子里的水，当你

倒入水后，水位就一直保持在那里，直到你再次倒入或倒出，所以闪存具有记忆

能力。

与场效应管一样，闪存也是一种电压控制型器件。NAND 型闪存的擦和写均是基

于隧道效应，电流穿过浮置栅极与硅基层之间的绝缘层，对浮置栅极进行充电（写

数据）或放电（擦除数据）。而 NOR 型闪存擦除数据仍是基于隧道效应（电流从

浮置栅极到硅基层），但在写入数据时则是采用热电子注入方式（电流从浮置栅

极到源极）。

场效应管工作原理

场效应晶体管（Field EffectTransistor 缩写(FET)）简称场效应管。一般

的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电, 因此称为双极型晶体管,而 FET 仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也

称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109

Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作

区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。

一、存储数据的原理两种闪存都是用三端器件作为存储单元，分别为源极、漏极

和栅极，与场效应管的工作原理相同，主要是利用电场的效应来控制源极与漏极

之间的通断，栅极的电流消耗极小，不同的是场效应管为单栅极结构，而 FLASH

为双栅极结构，在栅极与硅衬底之间增加了一个浮置栅极。浮置栅极是由氮化物

夹在两层二氧化硅材料之间构成的，中间的氮化物就是可以存储电荷的电荷势

阱。上下两层氧化物的厚度大于 50 埃，以避免发生击穿。

二、浮栅的重放电 向数据单元内写入数据的过程就是向电荷势阱注入电荷的过

程，写入数据有两种技术，热电子注入(hot electron injection)和 F-N 隧道效

应(FowlerNordheim tunneling)，前一种是通过源极给浮栅充电，后一种是通过

硅基层给浮栅充电。NOR 型 FLASH 通过热电子注入方式给浮栅充电，而 NAND 则

通过 F-N 隧道效应给浮栅充电。 在写 入新数据之前，必须先将原来的数据擦除，

这点跟硬盘不同，也就是将浮栅的电荷放掉，两种 FLASH 都是通过 F-N 隧道效应

放电。

三、0 和 1 这方面两种 FLASH 一样，向浮栅中注入电荷表示写入了'0'，没有注

入电荷表示'1'，所以对 FLASH 清除数据是写 1 的，这与硬盘正好相反； 对于浮

栅中有电荷的单元来说，由于浮栅的感应作用，在源极和漏极之间将形成带正电

的空间电荷区，这时无论控制极上有没有施加偏置电压，晶体管都将处于导通状

态。而对于浮栅中没有电荷的晶体管来说只有当控制极上施加有适当的偏置电

压，在硅基层上感应出电荷，源极和漏极才能导通，也就是说在没有给控制极施

加偏置电压时，晶体管是截止的。 如果晶体管的源极接地而漏极接位线，在无

偏置电压的情况下，检测晶体管的导通状态就可以获得存储单元中的数据，如果

位线上的电平为低，说明晶体管处于导通状态，读取的数据为 0，如果位线上为

高电平，则说明晶体管处于截止状态，读取的数据为 1。由于控制栅极在读取数

据的过程中施加的电压较小或根本不施加电压，不足以改变浮置栅极中原有的电

荷量，所以读取操作不会改变 FLASH 中原有的数据。

四、连接和编址方式 两种 FLASH 具有相同的存储单元，工作原理也一样，为了

缩短存取时间并不是对每个单元进行单独的存取操作，而是对一定数量的存取单

元进行集体操作，NAND 型 FLASH 各存储单元之间是串联的，而 NOR 型 FLASH 各

单元之间是并联的；为了对全部的存储单元有效管理，必须对存储单元进行统一

编址。 NAND 的全部存储单元分为若干个块，每个块又分为若干个页，每个页是

512byte，就是 512 个 8 位数，就是说每个页有 512 条位线，每条位线下有 8 个

存储单元；那么每页存储的数据正好跟硬盘的一个扇区存储的数据相同，这是设

计时为了方便与磁盘进行数据交换而特意安排的，那么块就类似硬盘的簇；容量

不同，块的数量不同，组成块的页的数量也不同。在读取数据时，当字线和位线

锁定某个晶体管时，该晶体管的控制极不加偏置电压，其它的 7 个都加上偏置电

压而导通，如果这个晶体管的浮栅中有电荷就会导通使位线为低电平，读出的数 就是 0，反之就是 1。 NOR 的每个存储单元以并联的方式连接到位线，方便对每

一位进行随机存取；具有专用的地址线，可以实现一次性的直接寻址；缩短了

FLASH 对处理器指令的执行时间。

五、性能

1、速度 在写数据和擦除数据时，NAND 由于支持整块擦写操作，所以速度比 NOR

要快得多，两者相差近千倍；读取时，由于 NAND 要先向芯片发送地址信息进行

寻址才能开始读写数据，而它的地址信息包括块号、块内页号和页内字节号等部

分，要顺序选择才能定位到要操作的字节；这样每进行一次数据访问需要经过三

次寻址，至少要三个时钟周期；而 NOR 型 FLASH 的操作则是以字或字节为单位进

行的，直接读取，所以读取数据时，NOR 有明显优势。

2、容量和成本 NOR 型 FLASH 的每个存储单元与位线相连，增加了芯片内位线的

数量，不利于存储密度的提高。所以在面积和工艺相同的情况下，NAND 型 FLASH

的容量比 NOR 要大得多，生产成本更低，也更容易生产大容量的芯片。

3、易用性 NAND 型 FLASH 的 I/O 端口采用复用的数据线和地址线，必须先通过

寄存器串行地进行数据存取，各个产品或厂商对信号的定义不同，增加了应用的

难度；NOR FLASH 有专用的地址引脚来寻址，较容易与其它芯片进行连接，另外

还支持本地执行，应用程序可以直接在 FLASH 内部运行，可以简化产品设计。

4、可靠性 NANDFLASH 相邻单元之间较易发生位翻转而导致坏块出现，而且是随

机分布的，如果想在生产过程中消除坏块会导致成品率太低、性价比很差，所以

在出厂前要在高温、高压条件下检测生产过程中产生的坏块，写入坏块标记，防

止使用时向坏块写入数据；但在使用过程中还难免产生新的坏块，所以在使用的

时候要配合 EDC/ECC(错误探测/错误更正)和 BBM(坏块管理)等软件措施来保障

数据的可靠性。坏块管理软件能够发现并更换一个读写失败的区块，将数据复制

到一个有效的区块。

5、耐久性 FLASH 由于写入和擦除数据时会导致介质的氧化降解，导致芯片老化，

在这个方面 NOR 尤甚，所以并不适合频繁地擦写，NAND 的擦写次数是 100 万次，

而 NOR 只有 10 万次。NAND 闪存技术详解 NAND 闪存阵列分为一系列 128kB 的区

块(block)，这些区块是 NAND 器件中最小的可擦除实体。擦除一个区块就是把所

有的位(bit)设置为"1"(而所有字节(byte)设置为 FFh)。有必要通过编程，将已

擦除的位从"1"变为"0"。最小的编程实体是字节(byte)。一些 NOR 闪存能同时执

行读写操作(见下图 1)。虽然 NAND 不能同时执行读写操作，它可以采用称为"映

射(shadowing)"的方法，在系统级实现这一点。这种方法在个人电脑上已经沿用

多年，即将 BIOS 从速率较低的 ROM 加载到速率较高的 RAM 上。

NAND 的效率较高，是因为 NAND 串中没有金属触点。NAND 闪存单元的大小比 NOR

要小(4F2：10F2)的原因，是 NOR 的每一个单元都需要独立的金属触点。NAND 与

硬盘驱动器类似，基于扇区(页)，适合于存储连续的数据，如图片、音频或个人

电脑数据。虽然通过把数据映射到 RAM 上，能在系统级实现随机存取，但是，这

样做需要额外的 RAM 存储空间。此外，跟硬盘一样，NAND 器件存在坏的扇区，

需要纠错码(ECC)来维持数据的完整性。

NAND 与 NOR 闪存比较 NAND 闪存的优点在于写(编程)和擦除操作的速率快，而 NOR

的优点是具有随机存取和对字节执行写(编程)操作的能力(见下图图 2)。NOR 的

随机存取能力支持直接代码执行(XiP)，而这是嵌入式应用经常需要的一个功能。 NAND 支持速率超过 5Mbps 的持续写操作，其区块擦除时间短至 2ms，而 NOR 是

750ms。

不同闪存单元的对比

flash(nandnor)原理

flash memory 是从 ROM、PROM、EPROM、EEPROM 这样一步步发展过来的。EPROM、

EEPROM、FLASH MEMORY 的核心部件都是一个 浮置栅场效应管，通过在浮置栅上

放置电子和没有电子两种状态来区分 0、1。由于浮栅中电子的变化，存贮单元

的阈值电压也会随之而改变，向浮栅中注入电子时，域值电压升高，加正常电压

不能使该管导通定义为“1”；将浮栅中的电子拉出，加正常电压导通，定义为

0。也有说通过检测该管有电流通过为 1，无电流通过为 0，这样就是有电子为 0，

无电子为 1。不管采用哪种，反正有两种状态区分就可以保存数据了。

电子注入及擦除：

1、沟道热电子注人(CHE)CHE 是 Flash 中常用的一种“写”操作方式。其原理是， 当在漏和栅极上同时加高电压，沟道中的电子在 Vd 建立的横向电场加速下获得

很高的能量。这些热电子在编结附近碰撞电离，产生高能电子，在栅极电场的吸

引下，跃过 3．2 eV 的氧化层电子势垒，形成热电子注入。

2、F—N 隧穿效应（F—NTunneling)

当在栅极和衬底之间加一个电压时，在氧化层中会建立一个电场。一般情况下．由

于 SO2 和 Si 界面的电于势垒很高(3．2 eV)．电子很难越过势垒注入到多晶硅

栅中。

Fowler 等人提出，当氧化层中电场达到 10Mv／cm，且氧化层厚度较小(0.01

微米 以下)时，电子将发生直接隧穿效应，穿过氧化层中势垒注入到浮栅．近年

来出现了在多晶硅上生长Textured一0xide，可以降低隧穿电压，即增强F—N 注

入。以上两种注入方式的特点有很大不同。沟道热电子注入模式工作电压较低，

外围高压工艺的要求也较低，但它的编程电流很大，有较大的功耗，不利于应用

在便携式电脑等有低功耗要求的产品上；隧穿入模式的功耗小，但要求有更高的

编程电压，外围工艺和升压电路也就较为复杂。由于空穴的有效质量和氧化层界

面势垒均比电子要大，CHE 方式不能用于 FG 中电于的擦除。目前，一般采用 F

—N 隧道注入来实现 Flash 的擦除。

两种类型的 FLASHMEMORY:

1、NOR

FLASH

NOR FALSH 阵列

NOR 技术 Flash Memory 结构，每两个单元共用一个位线接触孔和一条源线线，

采用 CHE 的写入和源极 F—N 擦除，具有高编程速度和高读取速度的优点。但其

编程功耗过 大，在阵列布局上，接触孔占用了相当的空间，集成度不高。具有

以下特点：(1)程序和数据可存放在同一芯片上，拥有独立的数据总线和地址总

线，能快速随机读取，允许系统直接从 Flash 中读取代码执行．而无需先将代码

下载至 RAM 中再执行；(2)可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除．必须以

块为单位或对整片执行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对块或整片 进行预编程和擦除操作。适合存储代码，比如用来做 BOIS。由于 NOR 技术

FlashMemory 的擦除和编程速度较慢，而块尺寸又较大，因此擦除和编程操作所

花费的时间很长．在纯数据存储和文件存储的应用中，NOR 技术显得力不从心。

2、NAND

FLASH

NAND FLASH 阵列

NAND 结构消除了传统 EEPROM 中的选择管，并通过多位的直接串联，将每个单元

的接触孔减小到 1／2 n(n 为每个模块中的位数，一般为 8 位或 1 6 位)，因此，

大大缩小了单元尺寸。NAND 采用编 F—N 写，沟道擦除，其最大缺点是多管串联，

读取速较其他阵列结构慢。另外，由于不能采用负栅压擦除，编程时需加 20V 左

右的高电压，对可靠性不利。NAND 技术 Flash Memory 具有以下特点：(1)以页

为单位进行读和编程操作，

1页为256或512B(字节)；以块为单位进行擦除操作．

1

块为 4K、8K 或 16KB。 具有快编程和快擦除的功能，其块擦除时间是 2ms；而

NOR 技术的块擦除时间达到几百 ms。(2)数据、地址采用同一总线，实现串行读

取。随机读取速度慢且不能按字节随机编程。(3)芯片尺寸小．引脚少，是位成

本(bit COSt)最低的固态存。不支持代码本地运行，运行前需要拷贝到 RAM。适

合数据、文件类型存储。 三 闪存的发展历史

在 1984 年，东芝公司的发明人 Fujio Masuoka 首先提出了快速闪存存储器

(此处简称闪存)的概念。与传统电脑内存不同，闪存的特点是非易失性(也就是

所存储的数据在主机掉电后不会丢失)，其记录速度也非常快。

Intel 是世界上第一个生产闪存并将其投放市场的公司。1988 年，公司推出

了一款 256K bit 闪存芯片。它如同鞋盒一样大小，并被内嵌于一个录音机里。

後来，Intel 发明的这类闪存被统称为 NOR 闪存。它结合 EPROM(可擦除可编程只

读存储器)和 EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)两项技术，并拥有一个 SRAM

接口。

第二种闪存称为 NAND 闪存。它由日立公司于 1989 年研制，并被认为是 NOR

闪存的理想替代者。NAND 闪存的写周期比 NOR 闪存短 90%，它的保存与删除处理

的速度也相对较快。NAND 的存储单元只有 NOR 的一半，在更小的存储空间中 NAND

获得了更好的性能。鉴于 NAND 出色的表现，它常常被应用于诸如 CompactFlash、

SmartMedia、SD、MMC、xD、and PC cards、USB sticks 等存储卡上。

四 闪存现状及应用

鉴于闪存市场利润丰厚，供应商积极争夺所有闪存存储市场份额并不奇怪。

但在人们理解闪存的作用时，除了实际的价格之外，还有其他因素需要考虑。IDC

公司存储研究副总裁 Eric Burgener 表示，“随着闪存的价格下降，其总体拥有

成本降到了可以购买全闪存阵列的程度。”实际上，闪存存储器的总拥有成本(TCO)

经常会很昂贵，这在存储市场的闪存启用部分的执行方式中是显而易见的。根据

IDC 公司关于企业存储市场的最新报告，全闪存阵列类别在 2018 年第一季度的

销售额达到 21 亿美元。这比去年同期增长了近 55%，超过了整个企业存储市场

的发展(更多的是在短期)。

目前市场上与闪存有关的产品以及它们可如何搭配使用：

部分闪存

目前，使用部分闪存有两种方法。 第一种方法是在分级策略中使用固态硬

盘。 固态硬盘一直不被企业当做分级存储设备使用，因为它们价格昂贵，而且

很难决定将那一台主机当做主 LUN.最初的解决方案是将主机分割或将所有的闪

存 LUN 都作为主 LUN,但是这样做既费时又费钱。

模块级分级存储改变了这一功能，现在许多厂商如 IBM、

EMC、日立、惠普/3PAR

和戴尔/Compellent 都已经推出了这项功能。新功能可以将 LUN 分割成一个个的 模块，然后根据活跃情况将每个模块放到对应的存储等级上。 这样就可以只将

活跃数据的模块放在固态硬盘上。

这种解决方案比标准的分级方案更加有效，但是在可变的工作负载条件下，

这种解决方案并不好用，因为活跃模块经常发生变动。阵列为了提高性能必须频

繁地进行调整，因此而造成的时滞足以抵消这种解决方案能够带来的任何优势。

第二个可选的方案是将闪存用作写入数据的高速缓存。基于甲骨文 ZFS 文件

系统的许多阵列就使用了这种解决方案。 它使用了一种名为 ZIL 的记录机制来

映射固态硬盘。 然后再非同步地将数据转移到主磁盘。

读数据则利用一种名为 L2ARC 的固态硬盘高速缓存在内存中缓存数据。ZFS

解决方案的写数据性能与可用高速缓存的数量成正比。这种解决方案可兼顾高速

缓存的成本和阵列写数据的性能。

如果想获得更高的性能，则需付出更高的成本。

全部闪存

今的固态硬盘一直都是用于模仿和兼容标准硬盘。因此，开发一款完全使用

固态硬盘的阵列是有可能的。 但这样做的成本是极其高昂的，但这样做真能提

高性能吗？ 在自第一款 Symmetrix 上市以来的 20 年里，所有的存储阵列厂商都

在不知疲倦地设法提高 I/O 性能，以弥补硬盘的缺憾。

传统硬盘的 I/O 同时存在延迟和寻道时滞的问题，这些时滞根据工作负载类

型的不同而不同。厂商们已经开发出各种技术如 striping、镜像和高速缓存，

将这种相对慢速的存储媒介中的价值都榨取出来。 如果我们将固态存储加入其

中，这些设备的响应时间将比那些传统硬盘快很多倍，而且它们的性能也能超过

能够满足 I/O 负载需求的阵列。

在传统硬盘的响应时间一度是个难以破解的难题的地方，我们发现 I/O 路

径、高速缓存和处理器性能也都成了限制因素。成本效益的计算过程变得更加复

杂，因为限制性能的因素太难预测了。 当然，如果有厂商愿意送给我一块固态

硬盘来进行测试，我想我会乐意回答这个问题的。 据我了解，EMC 是唯一一家

认证和提供全闪存阵列产品的厂商。

专用闪存

并非所有的闪存阵列都是一样的。我们已经发现 Violin Memory、Texas

Memory Systems 和 Kaminario 等厂商推出了一种全新的产品。它们的新产品使

用闪存和 DRAM 来创造专与固态硬盘协作的存储阵列。这意味着新产品在信息吞

吐量方面堪与固态硬盘媲美，而且厂商们已经意识到固态硬盘和传统硬盘在技术

上的差异。例如，固态硬盘的使用寿命是有限的。 厂商们利用了一些技术如磨损矫正来解决这些问题及提高所谓的耐写性。

Violin Memory 在这方面走在前列，它已经将磨损矫正技术应用到整个阵列之中，

以保证尽可能长地延长固态硬盘的使用寿命。 毫无疑问，专用闪存阵列的速度

性能是最快的。它们是按照既定目的而设计的，它们的价格只根据最大性能进行

浮动。

总结

什么样的解决方案才是最好的解决方案呢？ 这就要根据具体情况来定了。

首先必须了解工作负载的性质和需求，判断 I/O 延迟是否是限制应用性能的重要

因素，但最重要的是，你还要判断降低 I/O 时间是否会大幅改善应用层的性能。

固态硬盘解决方案是有可能大幅改善性能的。 问题是，你能否承担因此而增加

的成本？

五 闪存市场 正如上面的 IDC 公司提供的图表所示，在这个市场中，主要有五个顶级的企

业存储供应商，而一些规模较小的供应商也占据着重要的市场份额。闪存市场规

模占整个存储市场的三分之一左右。

混合闪存阵列结合了 SSD 硬盘和 HDD 硬盘的优势，在性能和存储容量之间提

供了适当的平衡，并且表现良好。闪存市场的收入达到 25 亿美元，年增长率接

近 24%。

就市场情况而言，企业存储市场在 2018 年第一季度同比增长 34.4%，达到

130 亿美元。对于那些值得关注的市场来说，全闪存和混合闪存细分市场收入总

计达 46 亿美元，占整个市场收入的三分之一以上。

IDC 公司服务器和存储基础架构研究副总裁 Eric Sheppard 表示，“对公共

云资源的需求和全球企业基础设施更新是全球新企业存储投资的两个重要驱动

因素。在当今的企业存储系统中最常寻求的解决方案是那些有助于提高数据中心

效率、操作简单性和对下一代工作负载的全面支持的解决方案。”而恰好的是，

闪存存储器提供了许多类似的产品。研究机构 Dell'Oro Group 公司的调查数据

显示，Dell EMC 公司是全闪存阵列市场的领导者。

目前行业领先的闪存供应商 ：

从调研机构 Gartner 公司的标志性魔力象限(MQ)报告来看，许多以前的顶级存储

供应商也正是目前领先的闪存存储供应商。这是由于在市场整合浪潮中，一些闪

存创业公司被行业巨头吞并。

•Dell EMC 公司

EMC 公司在 2016 年合并后成为 Dell 公司的子公司，此外，2012 年 Dell 公司收

购了闪存技术创新者 XtremIO 公司。如今，XtremIO 的块存储技术服务于细分市

场，而全闪存 VMAX 和 Unity 系统满足了企业的块和文件的需求。甚至 Isilon

公司的文件和对象产品系列也提供全闪存选项。

•NetApp 公司

2015 年底，NetApp 公司宣布收购全闪存存储系统制造商 SolidFire 公司。

SolidFire 公司存储节点提供更好的应用程序性能，现在是 NetApp 公司存储产

品组合的一部分，其中包括运行公司 SANtricity 软件平台和高端 FASA 系列的

EF 系列。

•HPE 公司 Gartner 公司表示，Nimble Predictive AF 全闪存阵列拥有许多客户。Nimble

公司的预测分析技术于 2010 年被 HPE 公司收购，使存储管理人员能够在应用程

序问题发生崩溃之前找到并修复问题。

在市场的低端，3PAR 阵列在容量、IOPS(每秒输入/输出操作)、价格之间提供了

良好的平衡。惠普公司在与惠普企业公司分拆之前，于 2010 年收购了 3PAR 公司。

•IBM 公司

IBM 公司的全闪存存储产品涵盖范围广泛，从针对具有苛刻性能要求的企业

FlashSystem V9000 阵列到面向寻求更快的应用程序体验和存储服务的 Storwize

V7000F。总而言之，IBM 公司拥有适用于几乎所有类型环境的全闪存存储解决方

案，从运行大型机的金融公司到需要快速创新的存储系统的技术初创公司。

•Pure Storage 公司

在顶级存储供应商中，Pure Storage 公司脱颖而出，这是因为它只生产全闪存

阵列，并且尚未被全球领先的 Dell EMC 和 HPE 公司抢购。该公司无愧于其在当

今存储行业中的地位。

Pure Storage 公司产品营销副总裁 Jason Nadeau 表示，该公司的 FlashArray

系列全闪存块存储阵列一直部署在运行业务和事务工作负载(如 Oracle、SQL 和

SAP)的第一层任务关键型环境中，直至深度整合和自动化的私有和混合云环境。

六 闪存未来

未来几年全闪存存储市场会是什么样子?预计会有一些重大变化有助于推动闪存

进一步进入企业主流。

NVMe 产品得到增长

非易失性内存(NVMe)是一款改变储能市场游戏规则的产品，促使存储厂商以惊人

的速度改进其产品线。与传统的存储架构相比，NVMe 逐渐流行起来。回顾 2011

年，企业存储市场由 SCSI 存储协议主导，而到 2016 年和 2017 年，供应商开始

探索基于 NVMe 的存储选项。他补充说，截至 2018 年第二季度，大多数主要的企

业存储厂商都推出了 NVMe 版本的阵列产品。

NVMe 协议引起如此浓厚兴趣的原因是该协议的延迟降低功能，使 SSD 硬盘能够

充分发挥其潜力。“NVME 协议比 SCSI 协议更适合闪存。”IDC 公司存储研究副

总裁 Eric Burgener 说，“NVMe 协议解决了几个性能向量，包括带宽、IOP 和延

迟。例如串行 ATA 可能的最大 IOP 为 200,000，而 NVMe 设备已经超过 1,000,000

IOP。” NVM Express 协议由领先的数据中心技术供应商和 IT 公司提供支持，其中包括

思科、

Dell EMC、英特尔、美光、微软、

NetApp 和西部数据等。通过支持 PCI Express

和 RDMA(远程直接内存访问)、光纤通道、NVM Express，可以提供比 SATA 或 SAS

更高的带宽(例如，PCI Express Gen3 x4 提供 4GB/s 的带宽)。

有了这样的性能声明，毫无疑问，全闪存阵列制造商和他们注重绩效的商业客户

都在积极地追求这项技术。展望未来，Burgener 表示 NVMe 协议将需要支持存储

技术的下一个飞跃，即英特尔和美光的 3D XPoint 等存储级内存产品。这种类型

的持久存储器具有更接近内存的性能特征。

自我管理数据存储

由于许多全闪存阵列都基于传统的存储架构，因此它们继承了大部分缺点，主要

是需要更多维护的存储管理方法。Burgener 表示，最新一代的闪存系统将采用

软件定义存储(SDS)方法进行存储管理，并不需要专门的存储管理人员进行管理。

相反，IT 人员可以登录到控制台，为其存储工作负载输入所需的性能特征，并

且阵列负责其余部分，自动执行曾经用于占用存储管理员日期的许多配置和调优

任务。“人们将看到更多基于该想法的全闪存阵列。”Burgener 说。

开发标准：Flash-Filled 2U24 存储阵列

闪存和 SDS 的结合也有助于在企业存储阵列 2U24 中产生开发标准。受到正在推

广 SAN 构建模块的存储初创公司的鼓舞，2U24 系统将双控制器架构和多达 24 个

2.5 英寸 SSD 硬盘集成到 2U 的机架中。

这种方法使得该领域的创新者能够与富士康等 ODM 厂商签约，将他们的软件放在

系统上与专用的设计进行竞争。而总部位于马萨诸塞州的 Kaminario 公司以其提

供的 2U24 全闪存系统而闻名。Burgener 表示，NetApp 公司也将在其最新系统中

采用存储阵列 2U24 产品。

七 总结和展望

"优盘"是闪存走进日常生活的最明显写照，其实早在 U 盘之前，闪存已经出

现在许多电子产品之中。传统的存储数据方式是采用 RAM 的易失存储，电池没电

了数据就会丢闪存卡失。采用闪存的产品，克服了这一毛病，使得数据存储更为

可靠。除了闪存盘，闪存还被应用在计算机中的 BIOS、PDA、数码相机、录音笔、

手机、数字电视、游戏机等电子产品中。 追溯到 1998 年，优盘进入市场。接口由 USB1.0 发展到 2.0 再到最新的 USB3.0，

速度逐渐提高。U 盘的盛行还间接促进了 USB 接口的推广。为什么 U 盘这么受到

人们欢迎呢?

闪存盘可用来在电脑之间交换数据。从容量上讲，闪存盘的容量从 16MB 到

64GB 可选，突破了软驱 1.44MB 的局限性。从读写速度上讲，闪存盘采用 USB 接

口，读写速度比软盘高许多。从稳定性上讲，闪存盘没有机械读写装置，避免了

移动硬盘容易碰伤、跌落等原因造成的损坏。部分款式闪存盘具有加密等功能，

令用户使用更具个性化。闪存盘外形小巧，更易于携带。且采用支持热插拔的

USB 接口，使用非常方便。

闪存正朝大容量、低功耗、低成本的方向发展。与传统硬盘相比，闪存的读

写速度高、功耗较低，市场上已经出现了闪存硬盘，也就是 SSD 硬盘，该硬盘的

性价比进一步提升。随着制造工艺的提高、成本的降低，闪存将更多地出现在日

常生活之中。

参考文献

【1】深入浅出聊闪存.Gary Wang.2006

【2】基于专利地图的闪存技术发展分析[J].尹远明,孙济庆.科技管理研究.

2009(07)

【3】高速海量固态硬盘的设计[D]. 孙浩然.哈尔滨工程大学 2009

【4】克服 3D NAND 规模化生产面临的挑战[J]. Harmeet Singh.

中国集成电路.

2018(03)

【5】NAND 闪存在工厂编程中的关键技术研究[J]. 傅启国.

集成电路应用.

2016(09)

【6】2015 年全球集成电路技术发展和主要产品分析[J].王龙兴.集成电路应用.

2016(07)

【7】Flash 存储器并行耐久测试方法[J]. 罗军,王小强,蔡志刚,孙宇,吕宏峰.

中国测试. 2016(05)

【8】高性能计算存储关键技术研究[J]. 朱平,朱建涛,高剑刚,蒋金虎.计算机研

究与发展. 2011(S1)

【9】Flash 存储技术[J]. 郑文静,李明强,舒继武.计算机研究与发展. 2010(04)