在當今信息爆炸的時代，數據量不斷增長，對存儲技術的需求也日益增長；面對這一挑戰，磁帶、HDD、軟盤、SSD、光盤、新型存儲以及云存儲等存儲技術應運而生，它們各具優勢，在不同的應用場景中發揮著重要作用。本篇文章將探討各類數據存儲技術的特點、應用場景與進化趨勢。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?

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引言

作為承載信息和知識的媒介，數據始終伴隨著人類社會的發展進程。從文明初始的“結繩記事”，到文字發明后的“文以載道”，再到近現代科學的“數據建模”，數據記錄了人類認識世界的歷程。數據存儲技術不斷創新和演進，經歷了從簡單的物理存儲到復雜的數字化存儲的演變過程，每一次技術的革新都極大地推動了社會生產力的發展和信息時代的進步。隨著新技術的不斷涌現，如人工智能、區塊鏈、深度學習、數字孿生、元宇宙的應用，數據存儲技術將繼續迎來新的挑戰和機遇。 ? 2

各類數據存儲技術的特點

數據存儲對于數據挖掘與分析、數據整合與共享、智能決策支持、業務模式創新以及優化資源配置等方面具有重要作用。按照存儲介質不同，數據存儲技術主要可分為磁性存儲、光學存儲以及半導體存儲三大類。

2.1 磁性存儲

磁存儲廣泛應用于備份、歸檔、冷數據存儲等場景；磁存儲密度高、價格低，且適合于大規模的數據存儲和備份。 ? 磁帶的優點在于其容量大、價格低、可靠且易于存檔；此外，磁帶還具有良好的耐久性，適合長期存儲數據。HDD（機械硬盤）具有容量大、價格低、耐用性高的優點；此外，HDD還具有較高的數據傳輸速度，能夠滿足大量數據的存儲需求。磁存儲的局限性主要表現在易受物理損害、速度限制、功耗和發熱、噪音和振動、數據恢復難度、容量上限等方面。 ? 隨著SSD（固態硬盤）的不斷進步和價格的下降，HDD面臨著日益激烈的市場競爭壓力。然而，由于在成本和容量方面的優勢，HDD在大容量存儲和長期數據存儲領域仍將保持其重要性。 ? 磁存儲也在持續發展，例如通過采用更先進的磁記錄材料和技術（如鐵磁順序存儲）來提高存儲器件的制造工藝、存儲密度和性能，有望成為未來高性能存儲器件的重要技術之一。 ?

2.2 光存儲

光存儲的優勢是數據存儲、管理和處理的高效性和可靠性。光存儲提供了如大容量數據存儲包括機器運行數據、產品設計文件、質量控制記錄等。同時，光存儲具有數據安全與長期存檔、數據的可靠性讀取、離線數據訪問、成本效益較高等優勢。 ? 在數據備份與恢復方面，光存儲可作為磁存儲的優選替代，以用于重要數據的保護。對于需要大量存儲空間且數據重要性高、修改頻率低的場合，光存儲是最佳的解決方案；在構建異地災備系統時，光存儲能夠有效抵御地震、火災等自然災難對數據安全構成的威脅，確保數據的完整性和可靠性。光存儲不僅限于傳統的數據存儲領域，還可應用于戶外運動、家庭生活等領域，例如為戶外運動愛好者提供便攜的電力支持，以及為家庭提供可靠的電力供應。 ? 光存儲具有壽命長、容量大、查詢檢索便捷、能耗低、安全性高、成本低等優點。光存儲介質通常對環境因素（如溫度、濕度和磁場）的影響較小，數據的長期穩定性更好，因此不像硬盤那樣容易因物理損壞或磁場干擾而喪失數據。光存儲還具備耐高低溫、不怕受潮，抗摔、抗振、抗壓、防塵等優點，因此在戶外運動、家庭生活等領域也有廣泛的應用，例如為戶外運動愛好者提供便攜的電力支持，以及為家庭提供可靠的電力供應。 ? 盡管光存儲有許多優點，但隨著云存儲和SSD等技術的發展，其在日常數據存儲中的普及度已經有所下降。光存儲的讀寫速度通常低于SSD，且容量與便攜性方面也逐漸落后于USB閃存驅動器和外部硬盤。然而，對于特定的應用場景，如長期數據存檔、媒體分發，光存儲仍然是一個值得考慮的選擇。 ? 圖1 光存儲的優點 ?

2.3 半導體存儲

半導體存儲具有集成度高、功耗小、可靠性高、價格低、體積小、外圍電路簡單、讀寫速度快、便于自動化批量生產等優點，主要用于內存。 ? 相對于磁存儲和光存儲，半導體存儲如閃存和SSD的優點在于其耐用性、便攜性以及快速的數據訪問。這些存儲設備沒有機械部件，因此更加可靠且不易損壞。不過，半導體存儲的成本相對較高，尤其在存儲容量上，其單位價格通常高于磁存儲和光存儲。此外，雖然半導體存儲的讀寫速度很快，但存儲密度通常低于磁存儲技術，如HDD。隨著技術的發展，半導體存儲的存儲密度正逐漸提高，成本也在逐步降低。 ? 圖2 半導體存儲技術的分類 ? 從其制造工藝和功能上分，ROM有五種類型，其中，掩膜編程的只讀存儲器（Mask-programmed ROM，MROM）是直接用掩膜工藝，把信息”刻“進存儲器里，用戶無法更改，適合早期的批量生產。可擦除可編程的只讀存儲器（Erasable Programmable ROM，EPROM）是一種以讀為主的可讀寫的存儲器，可多次編程；EPROM比MROM和可編程的只讀存儲器（Programmable ROM，PROM）更方便、靈活，但EPROM速度較慢。 ? 圖4 ROM種類 ? 可電擦除可編程的只讀存儲器（Electrically Erasable Programmable ROM，EEPROM）是一種支持電可擦除和即插即用的非易失性存儲器，具有體積小、接口簡單、數據保存可靠、可在線改寫、功耗低等特點，可用于計算機啟動時的BIOS芯片，并廣泛應用于對數據存儲安全性及可靠性要求高的應用場合，如門禁考勤系統，非接觸式智能卡，稅控收款機，預付費電度表以及家電遙控器等應用場合；EEPROM相比EPROM價格貴，集成度低，但成本較高、可靠性較低。 ? Flash Memory是一種高密度、非易失性的讀/寫半導體存儲器，可在線系統擦除與編程，其兼并EEPROM和隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM）的特點，是一種全新的存儲結構，俗稱快閃存儲器/閃存；與EEPROM類似，閃存使用電可擦技術，可以將內容在一秒至幾秒內被擦除，速度比EPROM快，但不提供字節級的擦除；另外，閃存每位只使用一個晶體管，因此能獲得與EPROM一樣的高密度；同時，在正常使用情況下，其浮置柵存電子可保存100年而不丟失。表1為各類非易失性存儲器參數間的對比。

表1 各類非易失性存儲器對比

SRAM（靜態隨機存儲器）速度快、使用簡單、不需刷新、靜態功耗極低，常用作緩沖存儲器（Cache）。DRAM(動態隨機存儲器)利用電容存儲電荷的原理保存信息，電路簡單，集成度高；因需刷新，存取速度較SRAM慢，所以在計算機中，DRAM常用于主存儲器。但由于DRAM存儲單元的結構簡單，所用元件少，集成度高，功耗低，所以已成為大容量RAM的主流產品。 ? 表2 DRAM和SRAM對比 閃存的質量由頁數量、頁容量、讀取性能、寫入性能、塊容量、I/O位寬、頻率和制造工藝等決定，同時正朝大容量、低功耗、低成本的方向發展。SSD是以NAND閃存介質為主的一種存儲產品，現已廣泛應用于筆記本電腦、臺式電腦、移動終端、服務器和數據中心等場合，在很多應用場合可以直接替換HDD。 ? 由于SSD體積更小、速度更快、安全性更強，SSD比HDD更加適合應用于移動存儲方面。相比DRAM存儲芯片，SSD采用的NAND閃存更具有成本優勢。與HDD硬盤相比，SSD具有傳輸速率高、延遲低、能耗低、噪聲低、抗震等優良特性。 ? NOR Flash屬于代碼型閃存芯片，其主要特點是芯片內執行，即應用程序不必再把代碼讀至RAM中，而可直接在Flash內運行；所以，NOR Flash適合用來存儲代碼及部分數據，可靠性高、讀取速度快，在中低容量應用時具備性能和成本上的優勢，但NOR Flash的寫入和擦除速度很慢，且體積是NAND Flash的兩倍，所以用途受到了很多限制，市場占比較低。 ? NAND Flash被認為是NOR Flash的理想替代者，NAND Flash的結構簡單，主要由 NAND 芯片、電容器、電阻器等元件組成；NAND Flash屬于數據型閃存芯片，相較于傳統的閃存存儲器具有更高的存儲密度、更低的功耗和更長的壽命；可實現大容量存儲，其寫入和擦除速度也相對較快，寫周期比NOR Flash短90%。 ? 此外，NAND的存儲單元僅為NOR的一半，在更小的存儲空間中NAND獲得了更好的性能。NAND Flash被廣泛用于嵌入式多媒體卡（eMMC/EMCP）、通用閃存存儲 (UFS)、U盤、SSD等市場。表3 是NOR Flash與NAND Flash各參數間的對比：

表3 NOR Flash與NAND Flash對比 閃存具有非易失性，即斷電數據也不會丟失；功耗小，壽命長，掉電保存數據大于10年，可擦寫次數達10萬次以上；密度大，目前1GB容量的閃存已標準化，8GB容量的閃存也即將推出；延遲低，噪聲低；傳輸速率高，抗震動、抗沖擊、溫度適應范圍寬。閃存的缺點是寫入速度較慢，寫入每頁的典型時間為200μs，平均每寫1個字節約需400ns，即約20MB/s，使用過程中還可能出現無效塊等。 ? 圖4 閃存優缺點 ? 表4 主流存儲技術與新型存儲技術對比

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數據存儲技術進化趨勢

2030年人類將進入YB數據時代，數據量是2020年的23倍，全球連接數2000億，通用算力將增長10倍、人工智能算力將增長500倍。在存儲容量方面，目前一些高端閃存卡的存儲容量已經達到了1TB，相當于是32年前的10TB，而一些SSD的存儲容量更是高達數TB。在讀寫速度方面，目前一些高端的UHS-II SD卡可以提供高達300MB/s的讀取速度和260MB/s的寫入速度。此外，一些NVMe SSD的讀寫速度也可以達到數GB/s。 ? NAND Flash在閃存市場中具有舉足輕重的地位，隨著NAND Flash存儲原廠的產品生產工藝不斷更新發展，存儲晶圓工藝制程、電子單元密度、產品堆疊層數等經歷了較大的技術更新，市場存儲密度的供給呈現出較快的增長速度。根據中商產業研究院整理的數據顯示，全球NAND Flash存儲容量一直保持增長，從2017年的1620億GB增長至2020年的5300億GB，年均復合增長率達35.38%。 ?

圖5 2017-2022年全球NAND Flash存儲容量增長情況

（數據來源：中商情報網）

”信息爆炸“時代對數據存力帶來了巨大考驗，數據存力整體上面臨容量逐漸供應短缺；利用效率低下，資源浪費；存儲設施能耗壓力大；分布區域不均勻，發展不平衡等難題。因此，未來存儲將會以非結構化數據為主，SSD閃存為主要存儲介質，并向分布式存儲架構、云存儲、DNA存儲、納米存儲、存算一體等方向發展。 ? 近年來，隨著云計算與人工智能應用的快速發展，數據中心的流量不斷擴大，數據處理速度慢和能耗高的問題逐漸成為束縛計算性能發展的障礙。相對于CPU性能的提升，內存的進步則相對緩慢，從而導致存儲速度嚴重滯后，即“內存墻”問題。隨著多核處理器和大數據應用的出現，數據搬運的需求大幅增加，為了解決“內存墻”問題，行業內如SK海力士、美光科技等企業寄望于提高存儲器帶寬，因此高帶寬存儲技術（High-Bandwidth Memory，HBM）應運而生。 ? 不同于傳統的2D DRAM，HBM技術采用3D堆疊的DRAM芯片，通過硅通孔（TSV）技術實現多層內存的垂直互連，并且使用系統級封裝（SIP）技術將GPU和多個DRAM芯片緊密集成，這種設計方式極大提高了數據傳輸速度，并能在較小的物理空間內提供更大的存儲容量和更高的帶寬，同時實現更低的延遲和功耗。正因為如此，HBM技術被認為是數據中心等高性能計算應用的理想內存解決方案。 ? 5

結語

展望未來，數據存儲技術將面臨更多的挑戰和機遇。隨著數據量的爆炸式增長，如何提高存儲效率、降低存儲成本、滿足多元化的數據需求，將是存儲技術未來發展的重要課題。同時，隨著新技術的不斷涌現，如分布式存儲架構、云存儲、DNA存儲、納米存儲和存算一體等新興方向也將為存儲技術的發展帶來無限可能。 ?

審核編輯：黃飛

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