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微型存储技术

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2004-03-25

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一、便携数字设备的记忆仓库

     随着移动应用的发展和各类数码产品的快速普及，小体积、大容量的微型存储设备逐渐走进人们的视野中，闪存、微型硬盘、微型光驱便是其中的典型代表。不过这三者的应用领域各有侧重点：闪存的应用范围最广，当前各种闪盘、数码相机、MP3播放器、掌上电脑等设备都采用闪存作为存储介质，各大数码设备厂商（尤其是日系厂商）也开发出各种闪存卡格式；微型硬盘的特点是存储容量高，但其可靠性屡受质疑，应用范围不太广泛，它的目标是数码相机、MP3播放器、数码摄像机等要求高存储容量的应用场合；至于微型光驱仍属于概念性产品，目前只有飞利浦一家厂商在独立开发。

闪存的基本概念

    闪存的英文名称是”Flash Memory“，一般简称为“Flash”，它也属于内存器件的一种。不过闪存的物理特性与常见的内存有根本性的差异：目前各类DDR、SDRAM或者 RDRAM都属于挥发性内存，只要停止电流供应内存中的数据便无法保持，因此每次电脑开机都需要把数据重新载入内存；闪存则是一种不挥发性(Non- Volatile)内存，在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘，这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础。

    闪存的存储密度比各类DRAM都高得多，在提供较高存储容量的同时还能保持袖珍的体积，耗电量也相当低。它的缺点是较慢的读写速度（最快不超过 10MB/s），因此不可能作为电脑的主内存，但对移动存储器、数码相机、掌上电脑、MP3播放器之类的设备来说，这个速度并不算太慢，人们在应用中也感受不到速度瓶颈，因此当前闪存技术的发展趋势还是注重提高容量、降低成本和增强可靠性。

    根据内部电路的逻辑结构不同，闪存主要可分为NOR（异或）和NAND（与非）两大类，前者为Intel公司在1988年发布，后者为东芝公司在 1989年首次推出，两者在结构和特性上存在较大的差异：NOR型闪存的存储单元采用并行排列，储存块大小在64到128KB之间，其存储结构和读写方式都与大家常用的内存相近。NOR闪存具有读速度快、故障率少、可擦写次数高等优点，此外它还具有独一无二的“芯片内执行”(XIP，eXecute In Place)特性：应用程序可在NOR型闪存内直接运行、而不必像其他类型产品一样将代码读到系统内存后方能操作。该特性使NOR型闪存很适合用作嵌入式代码存储，这类应用包括手机、PDA或其他嵌入式家电的操作系统。不过在容量、写入／擦除速度等指标方面NOR闪存就较显逊色，目前NOR型闪存的最高存储容量只有128MB，面对闪盘、数码相机、MP3播放器等要求高容量的设备有点力不从心。但因手机市场的需求量极其庞大，NOR闪存反而占据了出货量上的优势，当前从事NOR闪存制造的主要有Intel、AMD、Atmel、Fujitsu 等厂商。

    NAND闪存的存储单元则采用串行结构，存储单元的读写是以页和块为单位来进行（一页包含若干字节，若干页则组成储存块，NAND的存储块大小为 8到32KB），这种结构最大的优点在于容量可以做得很大，目前市面上超过512MB容量的NAND产品相当普遍，超过1GB也不是什么难事；此外， NAND闪存的成本较低，有利于大规模普及。NAND闪存的缺点在于读速度较慢，它的I/O端口只有8个，比NOR要少多了。这区区8个I/O端口只能以信号轮流传送的方式完成数据的传送，速度要比NOR闪存的并行传输模式慢得多。再加上NAND闪存的逻辑为电子盘模块结构，内部不存在专门的存储控制器，一旦出现数据坏块将无法修正，可靠性较NOR闪存要差。不过这两项缺陷并不足以影响它的应用，NAND闪存被广泛用于移动存储、数码相机、MP3播放器、掌上电脑等新兴数字设备中。三星、东芝、Renesas和SanDisk是主要的NAND闪存制造商，其中三星电子凭借价格和技术双重优势获得了绝对领先的市场份额，甚至在去年第三季度超过Intel公司成为全球最大的闪存制造商。由于受到数码设备强劲发展的带动，NAND闪存一直呈现指数级的超高速增长，业界普遍认为NAND可望在2006年超过NOR成为闪存技术的主导。

闪存卡：主流数码存储介质

    数码相机、MP3播放器、掌上电脑、手机等数字设备是闪存最主要的市场。前面提到，手机领域以NOR型闪存为主、闪存芯片被直接做在内部的电路板上，但数码相机、MP3播放器、掌上电脑等设备要求存储介质具备可更换性，这就必须制定出接口标准来实现连接，闪存卡技术应运而生。闪存卡是以闪存作为核心存储部件，此外它还具备接口控制电路和外在的封装，从逻辑层面来说可以和闪盘归为一类，只是闪存卡具有更浓的专用化色彩、而闪盘则使用通行的USB接口。由于历史原因，闪存卡技术未能形成业界统一的工业标准，许多厂商都开发出自己的闪存卡方案。目前比较常见的有CF卡、SD卡、SM卡、MMC卡和索尼的Memory Stick记忆棒，下面我们将分别对这些闪存卡进行介绍。

CF卡（CompactFlash）

    CF卡是美国SanDisk 公司于1994引入的闪存卡，可以说是最早的大容量便携式存储设备。它的大小只有43mm×36mm×3.3mm，相当于笔记本电脑的PCMCIA卡体积的四分之一。CF卡内部拥有独立的控制器芯片、具有完全的PCMCIA-ATA 功能，它与设备的连接方式同PCMCIA卡的连接方式类似，只是CF卡的针脚数多达五十针。实践证明，这种连接方式稳定而可靠，并不会因为频繁插拔而影响其稳定性。

    由于采用闪存技术，CF卡没有任何活动的部件，不存在物理坏道之类的问题，而且拥有优秀的抗震性能，因此CF卡比软盘、硬盘之类的设备要安全可靠。此外，CF卡的功耗很低，它可以自适应3.3伏和5伏两种电压，耗电量大约相当于桌面硬盘的百分之五。在上个世纪九十中期年代，这样的特性是出类拔萃的，CF卡出现之后便成为数码相机的首选存储设备。而经过多年的发展，CF卡技术已经非常成熟，容量从最初的4MB飙升到如今的3GB，价格也越来越平实，受到各数码相机制造商的普遍喜爱，虽然这些年因体积较大的缺陷遭到其他技术的强力竞争，但CF卡目前在数码相机存储卡领域的市场占有率仍然排在第二位。

MMC卡 (MultiMediaCard)

    尽管CF卡已经很小巧了，但人们并不满足，毕竟数码相机一直向小型化方向发展、而诸如移动电话、MP3播放器、掌上电脑之类的设备也渴求体积更小的存储设备，于是MMC卡开始登上舞台。

    MMC卡是SanDisk公司和德国西门子公司于1997年合作推出的新型存储卡，它的尺寸只有32mm×24mm×1.4mm、大小同一枚邮票差不多；其重量也多在2克以下，并且具有耐冲击、可反复读写30万次以上等特点。从本质上看，MMC与CF其实属于同一技术体系，两者结构都包括快闪存芯片和控制器芯片，功能也完全一样，只是MMC卡的尺寸超小，而连接器也必须做在狭小的卡里面，导致生产难度和制造成本都很高、价格较为昂贵。而从目前的应用情况来看，两者也有所侧重。CF卡主要针对数码相机和手持计算产品，MMC则瞄准移动电话和MP3播放器等体积更小的设备，当然，在一些追求小巧时尚的数码相机中我们也可以看到MMC卡的身影。而由于体积限制，MMC卡的容量提升较为困难，市面上的MMC产品还是以128M容量以下的产品为主， 256MB、512MB的产品极为昂贵，而1GB的MMC卡还处于实验室阶段，尚未大量投放市场。

    MMC技术的最新进展来自于Renesas公司，该公司在不久前发布了双电压MMC卡和小尺寸的低电压MMC卡。二者都工作在1.8V和3V、功耗更低，而传统MMC产品的工作电压一般为3V和5V；它们均采用0.13微米制造工艺和Renesas自己开发的控制器，传输速度为1.8MB/s。其中双电压版目前已可实现256MB、512MB容量，推出时间估计会在2004年3月和6月，不过1GB的产品还处于研发阶段，估计最快也得在2004年底方能上市；而小尺寸MMC卡比双电压MMC卡要小两倍，存储容量也小得多。Renesas公司表示，32MB版小尺寸MMC产品将在2004年3月进入市场，64MB和128MB版要等到2004年5月才能上市。这两款产品主要为移动电话、数码相机、数字电视等产品所设计。

SD卡（Secure Digital）

    SD卡的英文全称是Secure Digital Card，意为安全数码卡，它由日本松下公司、东芝公司和美国SanDisk公司共同研制。SD卡仍属于MMC标准体系，不过它比MMC卡多了一个进行数字版权保护的暗号认证功能（SDMI规格），故而得名。SD卡的尺寸为32mm×24mm×2.1mm，面积与MMC卡相同、只是略厚一些而已。但SD卡的容量比MMC卡高出甚多，SanDisk和松下公司都已推出容量高达1GB的SD卡。不过当前的主流还是64M、128M和256M容量，512MB以上的产品还相当昂贵。

    读写速度快是SD卡的另一个优点，它的最高读写速度已突破20MB/s、几乎达到闪存读写速度的极限。此外，SD卡还保持对MMC卡的兼容，支持 SD卡的插口大多数都可以支持MMC卡。更重要的是，SD卡比MMC卡易于制造，在成本上有不少优势，由于各方面的优异品质，SD卡得到了广泛应用，在 MP3播放器、移动电话、数码相机、掌上电脑及便携式摄像机等场合愈来愈流行，有望成为最具发展前景的闪存卡；目前支持者除了东芝、松下和SanDisk 外，还包括卡西欧、惠普、摩托罗拉、NEC、先锋和Palm等公司。

SM卡（SmartMedia）与xD卡

    SM卡被称为“智能型媒体卡”，它在数码相机中应用较为广泛，它的历史几乎同CF卡一样悠久（于1995年11月发布）。相比CF卡，SM卡的优点在于体积小巧，尺寸为37mm×45mm×0.76mm，虽然比MMC、SD卡要宽一些，但是要薄得多。其秘诀在于SM卡去掉了CF卡中集成的控制器，只留下闪存芯片和必要的22针接口，但这也使SM卡的功能较为单一，用户必须使用配有读写及控制功能的专用设备才能对其操作，此外，SM卡规范的升级变化比较大，这些都可能造成兼容问题；更糟糕的是SM卡具有3.3V和5V两种规格，但却无法相互兼容，这就限制了SM卡的使用自由。

    在2002年秋天，富士和奥林巴斯公司成功开发出SM卡的后续产品：“xD Picture Card”，简称为xD卡。xD卡专为数码相机而开发，它和SM卡一样都不带有控制芯片，优点是体积小、容量大。xD卡尺寸仅为20mm×25mm× 1.7mm，为目前最袖珍的闪存卡，而它的容量潜力可高达8GB的水准（SM卡目前最高只有128M），极具后续发展潜力。

索尼Memory Stick记忆棒

    Memory Stick记忆棒是索尼公司的专利产品，它在1998年才被正式投放市场，与MMC、SD属于同一时代的产品。不过，索尼在设计之初就将记忆棒定位在高起点和跨平台特性，它可广泛用于索尼的数码相机、MP3播放器、掌上电脑、移动电话、笔记本电脑甚至台式PC之中，构成独具特色的索尼数码应用。

    记忆棒的尺寸为50mm×21.5mm×2.8mm（厚），重约4克，看起来酷似一条口香糖，非常易于携带，它的传输速度为20Mbps，相对其它技术还算较为出色。此外，记忆棒拥有良好的技术升级特性，比如说它可配备索尼独创的版权保护技术、以防存储信息被非法使用。记忆棒的缺点在于容量相对较小、价格高，但是价格要比其他闪存卡产品高出不少。需要说明的是，长期以来记忆棒一直是索尼的专利产品，为了将记忆棒的应用范围尽量推广，索尼近年来也采取开放授权的办法允许其他厂商加盟，目前Memory Stick格式已经得到了上百家公司的支持，它们来自电子、计算机、通讯以及汽车等各行各业，其中包含三星、富士通、爱华、三洋、夏普、先锋和建伍等重量级企业，这些公司积极对记忆棒提供支持、共同推进记忆棒的市场空间拓展，并已初具成效。总的来说，记忆棒在技术上并没有明显的优势，它的成功完全归功于索尼在数码设备领域的强大号召力，使得记忆棒牢牢占据闪存卡的重要一隅。

    在2003年的CES大展上，索尼推出了第二代记忆棒——记忆棒Pro。记忆棒Pro的外观尺寸同第一代产品相比并没什么改变，但它的品质却有巨大的提升：记忆棒Pro的最大存储容量可达32GB，最高数据传输速度突破160Mbps，这两项指标都远远超过第一代产品。而这一切都得益于索尼的技术提升。记忆棒Pro拥有4条数据总线（第一代产品只有1根），4路并行、数据传输速度相当于第一代技术的4倍；其次，记忆棒Pro数据总线的频率达到 40MHz、比上一代技术的20MHz提高了一倍。不难得出结论：记忆棒Pro的传输速度相当于上一代技术的8倍。此外，记忆棒Pro具有更高的安全等级，它的访问控制机制基于“Magic Gate” 专利电子锁技术，这种电子锁可将记忆棒Pro的内容进行高等级的加密处理，非授权用户无法访问到里面的内容。为方便起见，记忆棒Pro的密钥也可以在各个电子锁间传送。

    目前，索尼已推出1GB的记忆棒Pro产品，更高容量的型号也将会陆续推出，索尼表示这取决于应用需求而非技术限制。由于技术差异较大，记忆棒 Pro无法与上一代产品兼容，这多多少少会给用户造成不便。考虑到记忆棒Pro惊人的发展潜力，外界普遍认为记忆棒PRO完全可满足未来5年的需要，当然它的应用领域主要还是索尼的数码产品。

最近更新 ( 2006-01-20 )

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