英特尔Robson三星Hybrid混合硬盘

　　计算机访问硬盘的速度远远慢于访问DRAM存储器，正因为如此，计算机的发明者才会使用DRAM作为内存、与CPU的缓存和硬盘一起形成三级存储结构，这并不是什么了不起的创举、而是计算机科学家无可奈何的选择。时至今日，硬盘性能低下的情况并没有得到丝毫改善，它在十余年前就已经成为计算机系统的瓶颈了，虽然信息技术在十年内的变化惊人，但硬盘的瓶颈不仅没有因技术进步而消除，反而变得越来越严重。我们相信读者一定清楚这意味着什么：也许你在使用顶极的双核处理器并拥有配置豪华的双显卡，但系统启动过程快不到哪去，大型游戏漫长的加载过程也令人烦不胜烦，就连启动Adobe Photoshop、Acrobat之类的软件也都需要花费数秒时间，而不是和我们想象那样即点即开。

　　Flash闪存作为存储器家族的一员，虽然速度远不如DRAM，但比起机械结构且依靠磁性方式读写的硬盘要快上许多，而且它具备和硬盘相同的掉电不失数据的特征，如果我们使用Flash闪存来取代硬盘作为主要的数据读写装置，上面的这些问题岂不是可得以解决？快速的读取可以让系统和软件的启动速度大大加快，用户可以行云流水般流畅地操作电脑，这不仅仅意味着效率的增进，更重要的意义是可带来使用感受的提升，让用户在使用电脑时保持轻松愉快的心情……实现这一美妙的设想并不遥远，在3月份的IDF Spring 2006技术论坛上，英特尔拿出一项名为“Robson”的创新技术，借助使用NAND闪存作为硬盘的缓存区，达到大幅度提高数据读写速度的目的；而三星公司也在研发以闪存为缓冲的Hybrid混合硬盘方案，并计划与微软Windows Vista系统同期发布，三星公司甚至高调宣称NAND闪存未来有机会完全取代硬盘作为计算机的存储中枢，此种说法虽然颇有争议但其前景的确令人向往。

　　闪存作为硬盘缓冲的技术可行性

　　在介绍Robson技术和三星混合硬盘之前，我们有必要进一步探讨硬盘瓶颈以及使用Flash闪存作为缓冲的技术可行性，其中最核心的问题便是两种设备的存取效能差异。

　　在过去十余年间，作为计算机核心组件的处理器一直都精确按照摩尔定律向前发展，芯片集成度每18个月翻一番，处理器性能大幅度攀升，内存技术和图形技术的发展也是日新月异，尤其是图形领域的技术革新速度远快于处理器。然而，并非所有部件都能保持如此高的发展速度，最典型的就是硬盘性能。在接口方面，硬盘的技术提升还算积极，从ATA-33到ATA-66、ATA-100和ATA-133，再到现在的SATA 150、SATA 300标准，硬盘的接口传输率提高了将近10倍。当前最新的SATA 300规范可提供300MB/s的数据传输率，这个速度应该是非常可观的，如果数据读写速度能够始终保持在这一水平，那意味着读取1GB数据只要3秒左右，加载数据、系统和程序启动缓慢的现象将不可能发生。

　　然而，真正决定硬盘性能高低的是其内部读取性能—磁头要获得数据，就必须在机械驱动下到达目的区域，通过磁场的作用产生反馈电信号，进而实现数据输出。这种机械式读取方式令硬盘无法快速提升其效能，如当前7200rpm IDE硬盘的平均读速度普遍只有50MB/s左右，5400rpm笔记本硬盘的平均读速度多在30MB/s上下，很难令人满意。再者，硬盘的机械结构导致其无法实现瞬间响应，主流型7200rpm硬盘的平均寻道时间普遍在8～10毫秒左右，平均延迟时间为4.2毫秒，这样总的读写延迟时间在12毫秒以上。而笔记本硬盘的读写延迟时间更长，对那些需要频繁读取数据的应用而言，反应缓慢、性能低下的硬盘无疑是较严重的制约。

　　英特尔公司在介绍Robson技术前列出这样的事实：在过去十年间，硬盘速度只保持平均2.5％左右的年增长速度，累计到现在性能提升幅度只有1.3倍左右；但在同一时期，微处理器的性能提升幅度超过30倍，硬盘领域的技术革新步幅远远落后于微处理器！这种不对等的发展造就的弊端就是计算机在数据存取时出现明显的效能瓶颈，进而严重拖慢了系统的运行速度：倘若处理器需要数据，那么它会首先搜索自己的缓存单元，这个过程中处理器必须停步等待；如果缓存中没有数据，处理器就必须从内存中获取；倘若内存中依然没有相应的数据，处理器将不得不从低速且响应迟缓的硬盘中查找……这个过程往往需要耗费数秒钟时间，对高频率运作的处理器而言，区区数秒等待便相当于巨量运算周期的白白浪费。体现在实际应用中，便是系统开机和程序启动动作缓慢，这个看起来不大不小的问题其实严重影响了用户的使用感受。

图1 硬盘的性能提升速度远远滞后于CPU，成为PC系统中最严重的性能瓶颈

　　以NAND型闪存作为硬盘的缓存区在技术上完全可行。第一，NAND闪存具有不挥发性，在掉电的情况下，闪存中的数据也可以永久保存，与磁性记录的硬盘毫无二致，作为硬盘的缓存非常合适。第二，NAND闪存在速度上拥有绝对的优势，目前三星的“OneNAND”型闪存可达到108MB/s的平均读取性能—虽然7200rpm硬盘在突发模式下能够获得超过120MB/s的读取速度，但其平均读取效能普遍在50MB/s左右，仅为OneNAND闪存的一半；即便是传统的NAND闪存颗粒现在也突破36MB/s读取速度(意法半导体2月份宣布)，超过各个品牌的5400rpm笔记本硬盘。而这些其实都只是NAND闪存芯片最基本的速度规格，如果采用类似内存模组的多芯片、多传输通道设计，那么NAND闪存单元的读写效能将有数倍的增长，可以将IDE硬盘轻松甩在后面。写入速度方面，NAND/OneNAND闪存在7～10MB/s范围内，这个指标虽然较低，但在多通道控制下，闪存模块同样可实现超越硬盘的写入速度；退一步来说，软件运行以读数据为主，写入的数据量规模较小，较慢的写入速度也不会带来太多困扰。第三，NAND闪存作为一种没有任何机械结构的随机存储器件，数据读写的延迟虽然无法达到DRAM一样的纳秒量级，但仍然比硬盘快了许多，无论数据读取还是写入，系统的响应都会干净利索。第四，NAND闪存拥有很高的存储密度，目前单芯片封装(SLC)的90纳米NAND闪存颗粒可以提供2Gb的容量，如采用多芯片封装(MLC)，容量可提高到4Gb，2006年计划投产的65纳米NAND闪存更是将密度提高到8Gb(SLC封装)和16Gb(MLC封装)，作为硬盘的大容量缓存在容量规格上不会有什么障碍。而如果能以高速NAND闪存来取代硬盘承担主要的数据读写任务，那么数据操作性能将大大加快，最直接的好处就是系统开机和程序执行速度都将有数倍的提升，这无疑能给用户带来美妙的使用感受。

　　不过，要将这种设想变成现实并不容易，业界必须面对以下两个问题：其一，NAND闪存加速功能采用何种物理形式与系统连接？其二，如何在软件上提供支持，令NAND闪存的读写优先级高于硬盘？英特尔的Robson技术与三星混合硬盘方案在这两方面的具体实现上有很大的不同，但这两类技术最终都能达成近乎完美的启动提速效果。

　　英特尔Robson技术：NAND扩展卡让存储加速

　　Robson技术将首先出现在代号为“Santa Rosa”的下一代移动技术平台中，英特尔计划于2007年一季度将其正式推出。这样，笔记本电脑将成为Robson技术最早的受益者。在具体实现上，Robson采用闪存加速卡＋核心驱动的模式运作，扩展卡包含一块NAND闪存控制芯片以及用于存储数据的NAND闪存，闪存的容量可以在128MB～4GB范围内—容量越大，可存储的数据就越多，加速效果便越好；控制芯片则负责传输实际的数据读写动作，功能好比是PC系统中的内存控制器，而它采用何种设计直接关系到闪存加速能达到什么样的效果。

　　我们知道，诸如USB接口的闪存盘以及各类闪存卡的数据读写速度都非常之慢，主要原因就在于接口控制芯片的制约，令内部的NAND闪存无法工作在最高性能的理想模式下，加上这些设备对速度并无要求，厂商大都使用读取速度约为17MB/s的普通NAND闪存，在这些限制因素作用下，USB闪存盘和数码闪存卡自然无法获得高性能。但Robson闪存加速卡以高性能作为第一要务，除采用高速NAND闪存外，英特尔还将采用多通道总线，将多枚NAND芯片捆绑在一起并行读写，这样便可大幅度提高闪存模块的读写效能。而从NAND闪存现有性能指标来看，并行读写的效果将极其惊人，例如若采用108MB/s读取速度规格的OneNAND闪存，且采用双芯片并行读写的设计方案，那么Robson模块将可获得216MB/s的平均读取速度。