更快、更大的固态硬盘

固态硬盘加载操作系统和应用程序的速度是机械硬盘的2～3倍，因而，现如今没有固态硬盘的电脑已经有点不合时宜。不过，实际上固态硬盘只有在服务器中作为大容量存储设备时才能够完全发挥其性能，在个人电脑的SATA接口上，根据标准的不同，SATA连接提供的速度只能达到每秒300MB（SATA 2.0也称为3G接口）或每秒600MB（SATA 3.0也称为6G接口），完全没有机会让固态硬盘发挥其全部性能。事实上，目前固态硬盘所使用的2.5英寸硬盘外壳，完全是为了让机械硬盘能够在笔记本电脑上使用而开发的，它们被调整为最适合机械硬盘读写磁头在转动的金属盘上读取数据，而固态硬盘可以制作得很小，一个存储芯片实际上就像CPU一样地小，固态硬盘中可以安装多个存储芯片，并通过控制芯片让存储芯片以并行的方式读取或写入，速度可以比SATA接口的速度快很多。

很快我们将在电脑主板和笔记本电脑上看到新的接口，新接口能够支持更快的数据传输速度，每秒可以传输数GB的数据，将能够完全发挥闪存技术的潜力。其次，固态硬盘的数据密度将大幅度增加，闪存存储介质的价格将明显下降，我们能以低廉的价格获得500GB的固态硬盘。而且，得益于新的闪存单元模式，未来我们将能够获得更实惠的TB级固态硬盘。

高速接口

新一代固态硬盘已经蓄势待发，它们将比目前市场上所有的固态硬盘都要快。它们将采用一个新接口：SATA Express（Serial ATA Express，简称SATAe），该接口将通过PCI-E转发SATA的数据。到目前为止，只有显示卡是通过PCI-E传输数据的。连接PCI-E的SATAe接口可以接入两个SATA插头，SATA接口的传输速率最快可以达到600MB/s，而老一代PCI-E 2.0每通道传输速率可以达到400MB/s，新一代PCI-E 3.0每通道传输速率可以高达1GB/s，由于SATAe接口的固态硬盘通过PCI-E传输数据时至少使用两个通道，也就是说SATAe的传输速率将在800MB/s到2GB/s之间。

但SATAe升级的并不只是一个接口，而是一个全新的接口标准。出于兼容性的考虑，SATAe将继续支持高级主机控制器接口（Advanced Host Controller Interface，简称AHCI）标准。AHCI标准是2004年在英特尔的领导下，由多家公司联合研发的接口标准，该标准的响应时间较慢。而这个早应该被替换的标准即将被一个新的接口标准所取代：非易失性存储主机控制器接口（Non-Volatile Memory Host Controller Interface，简称NVMHCI）标准是一个专门针对SATAe高性能固态硬盘而制定的接口标准，NVMHCI的指令集以等同于CPU内核的数量并行传输数据，CPU可以直接处理所有的存储和读取指令，不需要排队。此外，NVMHCI无需经过中间存储而直接在CPU和固态硬盘控制器之间传送命令，响应时间更低。

闪存硬件优化

以上这些仅仅是理论还是真正可行的呢？事实上，通过PCI-E传输数据的固态硬盘在服务器上已经使用了很长时间，这些固态硬盘可以实现远高于4GB/s的传输速率。但是由于缺少驱动程序，所以类似的设备无法安装到个人用户的电脑上使用，唯一例外的是RevoDrive（通过固态硬盘组成磁盘阵列并通过PCI-E适配卡连接）这样的解决方案。而M.2固态硬盘则是为笔记本电脑设计并面向个人用户的过渡产品，目前，M.2固态硬盘仍然在使用SATA接口，但是新的SATAe接口将允许M.2通过PCI-E连接。浦科特M6E和三星XP941是可以连接PCI-E的M.2固态硬盘，它们可以搭配与SATAe标准兼容的英特尔新版本的9系列芯片组主板使用。

遗憾的是，H97和Z97这些芯片组的主板最多只允许使用两个PCI-E 2.0通道，这将把固态硬盘的传输速率限制在800MB/s。对于像浦科特M6E这样的固态硬盘来说问题不大，因为这种固态硬盘插口上的两个缺口（俗称B Key）表明，它在传输时只使用两个通道。但是对于三星XP941这种插口上只有一个缺口（俗称M Key）可以使用4个通道的固态硬盘来说，受主板的制约将无法达到最快速度。

对于三星XP941这样高速的固态硬盘，将需要一个使用PCI-E插槽的固态硬盘适配卡或者华擎的Z97 Extreme6主板，目前只有这块主板可以为M.2提供4通道的PCI-E连接。未来PCI-E 3.0的接口将能够让SATAe固态硬盘更充分地发挥其性能，目前的控制芯片只能支持PCI-E 2.0，不过，SandForce 3700即将推出，该控制芯片除了支持AHCI之外，还能够支持NVMHCI。接下来，东芝的PCI-E 3.0控制器OCZ Jetstream Express将在明年上市，同时英特尔也计划推出支持PCI-E 3.0的芯片组。

用3D闪存的大容量固态硬盘

容量高达4TB的机械硬盘价格仍然相当经济实惠，但是价格相差无几的固态硬盘却顶多只有250GB到500GB的容量。不过，这只是目前的情况，预计未来几年，闪存单元的大小和设计将发展到一个新的阶段，固态硬盘将能够完全扭转这一局面。目前，固态硬盘所采用的闪存单元就如同CPU的晶体管一样，唯一不同的是，闪存单元可以在浮栅永久存储电荷。目前，制造商已经成功地将闪存单元的制作工艺提升到20nm，并正迅速向另一个更小的制程迈进。每一次技术的提升，意味着费用和生产成本的下降，因此，制造商们乐此不疲，并计划切换到另一种闪存单元类型：3D闪存。

固态硬盘的容量是影响价格的另一个问题，目前最大的固态硬盘SanDisk Optimus Max容量高达4TB，但基本上只有企业用户才会花几万元购买。对于个人用户使用的固态硬盘来说这种闪存技术是不现实的，三星和东芝目前正在走另外的一条路。他们通过可以在浮栅存储8个不同电荷水平的TLC闪存单元，实现每个闪存单元存储3位数据（8个不同电荷分别代表000到111之间的二进制值）的目的，通过存储密度的增加提升固态硬盘的容量。但是这种闪存单元只能够支持1 000次的写入或删除操作。通常情况下，个人用户使用的固态硬盘采用的MLC闪存单元每单元可以记录2位的数据，能够承受10 000次写入或删除操作。而采用TLC单元的服务器固态硬盘PM853T，三星给出的驱动器每日写入量（Device Writes Per Day，简称DWPD，指示固态硬盘每天可以写入的数据量）为全盘写入0.3～1.6次的情况下可以保证5年的寿命。很明显，PM853T只适用于那些很少刷新的数据，与之相比，其他普通的服务器固态硬盘，DWPD通常都在10～30之间。

2D闪存的局限性

如果既要实现高性价比，同时又要保持大容量和高品质，唯一的办法是缩小闪存单元的尺寸。但是如果闪存单元的尺寸进一步压缩，那么尺寸小于20nm的情况下闪存单元可能会出现问题。首先，要解决生产环节中193nm波长激光刻录的限制问题，解决这一种问题的超紫外曝光工具对于闪存单元的生产来说仍然过于昂贵。而且，生产企业还面临着物理上的限制，在单元壳体的尺寸小于20nm时，某些部件将仅有几个原子层的厚度，不可能再继续缩小。

另外，控制栅和浮栅之间的多晶硅间介质层（IPD）也可能会出现问题。控制栅通过施加电压排出或者填充浮栅的电荷，而浮栅必须保持其电荷，所以它的周围都由IPD包裹，防止电荷通过控制栅极逃逸。IPD层不能够太薄，当IPD的厚度小于10nm时，浮栅的电荷会随着时间的推移而下降。

更糟糕的是，更小的闪存单元，它们之间的距离较小。如果它们之间的浮栅距离小于20nm，则要防止单元之间的电荷相互干扰，IPD必须更厚。除此之外，即使制造商解决了所有生产环节的问题，IPD的厚度与浮栅之间的距离也不成问题，闪存单元尺寸从21nm降低到12nm，相对于数据密度的增益也显得有点太低。

目前，制造商已经将闪存单元的工艺提升到了16nm～19nm，原来由硅制成的控制栅极已经被金属和硅氧化物所取代，而IPD已经被换成了高介电值材料，例如氧化铪。因此，可以构建更有效的控制闸，不再需要从三面包围浮栅。取而代之的是，单元的控制栅极之间的空间被填满气泡，以减少干扰。不过，这些措施对于解决IPD的问题来说，并不能够彻底地解决问题，只能够起到一定的延缓作用。

突破限制的3D闪存

2D闪存的限制问题可以用不同的方法来解决，例如可以改变以往闪存单元仅有一层彼此相邻的结构，改用可以堆叠起来的3D结构，叠加的层数量越多，则存储密度越高。三星2013年首次提出了3D闪存的概念，第一代V-Nand包含24层闪存单元，从而达到了当前最佳的2D闪存相同的存储密度。虽然叠加的单元需要直径为80nm的空间，但是大型的堆叠结构仍然有其优势。V-Nand闪存可以在低电压下进行操作，并且支持35 000次的写入或删除周期，是MLC单元的3倍多。而且根据三星的介绍，写入速度也将成倍地提升。

三星有着一个远大的生产计划，预期2018年V-Nand芯片将从128GB增加到1TB。实际上这只需要叠加更多的层就可以了，192层即可达到1TB。在这个数据密度的基础上，4TB到8TB之间的固态硬盘成本将会是个人用户可以负担得起的。业内人士认为，3D闪存只要堆叠超过40层，每GB容量的价格就会比2D闪存便宜。

从技术上讲，东芝的位成本可扩展（Bit Cost Scalable，简称BICS）闪存与V-Nand闪存几乎没有任何不同。BICS采用由氮化硅制成的存储层，由两层氧化物包围存储层中的电荷。单元相邻的控制栅可以从存储层除去电荷，也可以写入。V-NAND闪存的工作原理相同，但存储层采用其他的材料，其存储层不是由硅系的氧化物包裹，而是由铝制成的高介电值材料包裹。根据三星的介绍，控制栅则采用氮化钽，可以确保单元的删除速度更迅速，新材料也保证了充电电平，从而更大地提高了使用寿命。

目前，东芝正处在重建旧芯片的生产设备制造BICS的过程中，样品最早可以于2015年3月推出。虽然目前BICS原型只计划堆叠16层，但可以预计，正式销售的芯片将超过30层才足以与V-NAND闪存竞争。IHS公司市场专家认为，2016年3D闪存将随处可见，数据密度将可以与机械硬盘一较高下，而如果价格再松动一些，那么机械硬盘很可能很快会成为历史。