數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)與前景展望

在當(dāng)今信息爆炸的時(shí)代，數(shù)據(jù)量不斷增長(zhǎng)，對(duì)存儲(chǔ)技術(shù)的需求也日益增長(zhǎng)；面對(duì)這一挑戰(zhàn)，磁帶、HDD、軟盤、SSD、光盤、新型存儲(chǔ)以及云存儲(chǔ)等存儲(chǔ)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它們各具優(yōu)勢(shì)，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著重要作用。本篇文章將探討各類數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)景與進(jìn)化趨勢(shì)。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?

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引言

作為承載信息和知識(shí)的媒介，數(shù)據(jù)始終伴隨著人類社會(huì)的發(fā)展進(jìn)程。從文明初始的“結(jié)繩記事”，到文字發(fā)明后的“文以載道”，再到近現(xiàn)代科學(xué)的“數(shù)據(jù)建?！保?strong>數(shù)據(jù)記錄了人類認(rèn)識(shí)世界的歷程。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)不斷創(chuàng)新和演進(jìn)，經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單的物理存儲(chǔ)到復(fù)雜的數(shù)字化存儲(chǔ)的演變過程，每一次技術(shù)的革新都極大地推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和信息時(shí)代的進(jìn)步。隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，如人工智能、區(qū)塊鏈、深度學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生、元宇宙的應(yīng)用，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)將繼續(xù)迎來(lái)新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。 ? 2

各類數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的特點(diǎn)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)對(duì)于數(shù)據(jù)挖掘與分析、數(shù)據(jù)整合與共享、智能決策支持、業(yè)務(wù)模式創(chuàng)新以及優(yōu)化資源配置等方面具有重要作用。按照存儲(chǔ)介質(zhì)不同，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)主要可分為磁性存儲(chǔ)、光學(xué)存儲(chǔ)以及半導(dǎo)體存儲(chǔ)三大類。

2.1 磁性存儲(chǔ)

磁存儲(chǔ)廣泛應(yīng)用于備份、歸檔、冷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等場(chǎng)景；磁存儲(chǔ)密度高、價(jià)格低，且適合于大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份。 ? 磁帶的優(yōu)點(diǎn)在于其容量大、價(jià)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(zhǎng)期存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。HDD（機(jī)械硬盤）具有容量大、價(jià)格低、耐用性高的優(yōu)點(diǎn)；此外，HDD還具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速度，能夠滿足大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需求。磁存儲(chǔ)的局限性主要表現(xiàn)在易受物理?yè)p害、速度限制、功耗和發(fā)熱、噪音和振動(dòng)、數(shù)據(jù)恢復(fù)難度、容量上限等方面。 ? 隨著SSD（固態(tài)硬盤）的不斷進(jìn)步和價(jià)格的下降，HDD面臨著日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力。然而，由于在成本和容量方面的優(yōu)勢(shì)，HDD在大容量存儲(chǔ)和長(zhǎng)期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域仍將保持其重要性。 ? 磁存儲(chǔ)也在持續(xù)發(fā)展，例如通過采用更先進(jìn)的磁記錄材料和技術(shù)（如鐵磁順序存儲(chǔ)）來(lái)提高存儲(chǔ)器件的制造工藝、存儲(chǔ)密度和性能，有望成為未來(lái)高性能存儲(chǔ)器件的重要技術(shù)之一。 ?

2.2 光存儲(chǔ)

光存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理和處理的高效性和可靠性。光存儲(chǔ)提供了如大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)包括機(jī)器運(yùn)行數(shù)據(jù)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)文件、質(zhì)量控制記錄等。同時(shí)，光存儲(chǔ)具有數(shù)據(jù)安全與長(zhǎng)期存檔、數(shù)據(jù)的可靠性讀取、離線數(shù)據(jù)訪問、成本效益較高等優(yōu)勢(shì)。 ? 在數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)方面，光存儲(chǔ)可作為磁存儲(chǔ)的優(yōu)選替代，以用于重要數(shù)據(jù)的保護(hù)。對(duì)于需要大量存儲(chǔ)空間且數(shù)據(jù)重要性高、修改頻率低的場(chǎng)合，光存儲(chǔ)是最佳的解決方案；在構(gòu)建異地災(zāi)備系統(tǒng)時(shí)，光存儲(chǔ)能夠有效抵御地震、火災(zāi)等自然災(zāi)難對(duì)數(shù)據(jù)安全構(gòu)成的威脅，確保數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。光存儲(chǔ)不僅限于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域，還可應(yīng)用于戶外運(yùn)動(dòng)、家庭生活等領(lǐng)域，例如為戶外運(yùn)動(dòng)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(yīng)。 ? 光存儲(chǔ)具有壽命長(zhǎng)、容量大、查詢檢索便捷、能耗低、安全性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。光存儲(chǔ)介質(zhì)通常對(duì)環(huán)境因素（如溫度、濕度和磁場(chǎng)）的影響較小，數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性更好，因此不像硬盤那樣容易因物理?yè)p壞或磁場(chǎng)干擾而喪失數(shù)據(jù)。光存儲(chǔ)還具備耐高低溫、不怕受潮，抗摔、抗振、抗壓、防塵等優(yōu)點(diǎn)，因此在戶外運(yùn)動(dòng)、家庭生活等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，例如為戶外運(yùn)動(dòng)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(yīng)。 ? 盡管光存儲(chǔ)有許多優(yōu)點(diǎn)，但隨著云存儲(chǔ)和SSD等技術(shù)的發(fā)展，其在日常數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的普及度已經(jīng)有所下降。光存儲(chǔ)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(qū)動(dòng)器和外部硬盤。然而，對(duì)于特定的應(yīng)用場(chǎng)景，如長(zhǎng)期數(shù)據(jù)存檔、媒體分發(fā)，光存儲(chǔ)仍然是一個(gè)值得考慮的選擇。 ? 圖1 光存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn) ?

2.3 半導(dǎo)體存儲(chǔ)

半導(dǎo)體存儲(chǔ)具有集成度高、功耗小、可靠性高、價(jià)格低、體積小、外圍電路簡(jiǎn)單、讀寫速度快、便于自動(dòng)化批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，主要用于內(nèi)存。 ? 相對(duì)于磁存儲(chǔ)和光存儲(chǔ)，半導(dǎo)體存儲(chǔ)如閃存和SSD的優(yōu)點(diǎn)在于其耐用性、便攜性以及快速的數(shù)據(jù)訪問。這些存儲(chǔ)設(shè)備沒有機(jī)械部件，因此更加可靠且不易損壞。不過，半導(dǎo)體存儲(chǔ)的成本相對(duì)較高，尤其在存儲(chǔ)容量上，其單位價(jià)格通常高于磁存儲(chǔ)和光存儲(chǔ)。此外，雖然半導(dǎo)體存儲(chǔ)的讀寫速度很快，但存儲(chǔ)密度通常低于磁存儲(chǔ)技術(shù)，如HDD。隨著技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體存儲(chǔ)的存儲(chǔ)密度正逐漸提高，成本也在逐步降低。 ? 圖2 半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)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(chǔ)器（Mask-programmed ROM，MROM）是直接用掩膜工藝，把信息”刻“進(jìn)存儲(chǔ)器里，用戶無(wú)法更改，適合早期的批量生產(chǎn)?？刹脸删幊痰闹蛔x存儲(chǔ)器（Erasable Programmable ROM，EPROM）是一種以讀為主的可讀寫的存儲(chǔ)器，可多次編程；EPROM比MROM和可編程的只讀存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器，具有體積小、接口簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)保存可靠、可在線改寫、功耗低等特點(diǎn)，可用于計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)的BIOS芯片，并廣泛應(yīng)用于對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全性及可靠性要求高的應(yīng)用場(chǎng)合，如門禁考勤系統(tǒng)，非接觸式智能卡，稅控收款機(jī)，預(yù)付費(fèi)電度表以及家電遙控器等應(yīng)用場(chǎng)合；EEPROM相比EPROM價(jià)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(dǎo)體存儲(chǔ)器，可在線系統(tǒng)擦除與編程，其兼并EEPROM和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory，RAM）的特點(diǎn)，是一種全新的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，俗稱快閃存儲(chǔ)器/閃存；與EEPROM類似，閃存使用電可擦技術(shù)，可以將內(nèi)容在一秒至幾秒內(nèi)被擦除，速度比EPROM快，但不提供字節(jié)級(jí)的擦除；另外，閃存每位只使用一個(gè)晶體管，因此能獲得與EPROM一樣的高密度；同時(shí)，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(chǔ)器參數(shù)間的對(duì)比。

表1 各類非易失性存儲(chǔ)器對(duì)比

SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）速度快、使用簡(jiǎn)單、不需刷新、靜態(tài)功耗極低，常用作緩沖存儲(chǔ)器（Cache）。DRAM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)利用電容存儲(chǔ)電荷的原理保存信息，電路簡(jiǎn)單，集成度高；因需刷新，存取速度較SRAM慢，所以在計(jì)算機(jī)中，DRAM常用于主存儲(chǔ)器。但由于DRAM存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎn)品。 ? 表2 DRAM和SRAM對(duì)比 閃存的質(zhì)量由頁(yè)數(shù)量、頁(yè)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(shí)正朝大容量、低功耗、低成本的方向發(fā)展。SSD是以NAND閃存介質(zhì)為主的一種存儲(chǔ)產(chǎn)品，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、臺(tái)式電腦、移動(dòng)終端、服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心等場(chǎng)合，在很多應(yīng)用場(chǎng)合可以直接替換HDD。 ? 由于SSD體積更小、速度更快、安全性更強(qiáng)，SSD比HDD更加適合應(yīng)用于移動(dòng)存儲(chǔ)方面。相比DRAM存儲(chǔ)芯片，SSD采用的NAND閃存更具有成本優(yōu)勢(shì)。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(yōu)良特性。 ? NOR Flash屬于代碼型閃存芯片，其主要特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行，即應(yīng)用程序不必再把代碼讀至RAM中，而可直接在Flash內(nèi)運(yùn)行；所以，NOR Flash適合用來(lái)存儲(chǔ)代碼及部分?jǐn)?shù)據(jù)，可靠性高、讀取速度快，在中低容量應(yīng)用時(shí)具備性能和成本上的優(yōu)勢(shì)，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(chǎng)占比較低。 ? NAND Flash被認(rèn)為是NOR Flash的理想替代者，NAND Flash的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要由 NAND 芯片、電容器、電阻器等元件組成；NAND Flash屬于數(shù)據(jù)型閃存芯片，相較于傳統(tǒng)的閃存存儲(chǔ)器具有更高的存儲(chǔ)密度、更低的功耗和更長(zhǎng)的壽命；可實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)，其寫入和擦除速度也相對(duì)較快，寫周期比NOR Flash短90%。 ? 此外，NAND的存儲(chǔ)單元僅為NOR的一半，在更小的存儲(chǔ)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(chǔ) (UFS)、U盤、SSD等市場(chǎng)。表3 是NOR Flash與NAND Flash各參數(shù)間的對(duì)比：

表3 NOR Flash與NAND Flash對(duì)比 閃存具有非易失性，即斷電數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失；功耗小，壽命長(zhǎng)，掉電保存數(shù)據(jù)大于10年，可擦寫次數(shù)達(dá)10萬(wàn)次以上；密度大，目前1GB容量的閃存已標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)、抗沖擊、溫度適應(yīng)范圍寬。閃存的缺點(diǎn)是寫入速度較慢，寫入每頁(yè)的典型時(shí)間為200μs，平均每寫1個(gè)字節(jié)約需400ns，即約20MB/s，使用過程中還可能出現(xiàn)無(wú)效塊等。 ? 圖4 閃存優(yōu)缺點(diǎn) ? 表4 主流存儲(chǔ)技術(shù)與新型存儲(chǔ)技術(shù)對(duì)比

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數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)化趨勢(shì)

2030年人類將進(jìn)入YB數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)據(jù)量是2020年的23倍，全球連接數(shù)2000億，通用算力將增長(zhǎng)10倍、人工智能算力將增長(zhǎng)500倍。在存儲(chǔ)容量方面，目前一些高端閃存卡的存儲(chǔ)容量已經(jīng)達(dá)到了1TB，相當(dāng)于是32年前的10TB，而一些SSD的存儲(chǔ)容量更是高達(dá)數(shù)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(dá)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(dá)到數(shù)GB/s。 ? NAND Flash在閃存市場(chǎng)中具有舉足輕重的地位，隨著NAND Flash存儲(chǔ)原廠的產(chǎn)品生產(chǎn)工藝不斷更新發(fā)展，存儲(chǔ)晶圓工藝制程、電子單元密度、產(chǎn)品堆疊層數(shù)等經(jīng)歷了較大的技術(shù)更新，市場(chǎng)存儲(chǔ)密度的供給呈現(xiàn)出較快的增長(zhǎng)速度。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院整理的數(shù)據(jù)顯示，全球NAND Flash存儲(chǔ)容量一直保持增長(zhǎng)，從2017年的1620億GB增長(zhǎng)至2020年的5300億GB，年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)35.38%。 ?

圖5 2017-2022年全球NAND Flash存儲(chǔ)容量增長(zhǎng)情況

（數(shù)據(jù)來(lái)源：中商情報(bào)網(wǎng)）

”信息爆炸“時(shí)代對(duì)數(shù)據(jù)存力帶來(lái)了巨大考驗(yàn)，數(shù)據(jù)存力整體上面臨容量逐漸供應(yīng)短缺；利用效率低下，資源浪費(fèi)；存儲(chǔ)設(shè)施能耗壓力大；分布區(qū)域不均勻，發(fā)展不平衡等難題。因此，未來(lái)存儲(chǔ)將會(huì)以非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為主，SSD閃存為主要存儲(chǔ)介質(zhì)，并向分布式存儲(chǔ)架構(gòu)、云存儲(chǔ)、DNA存儲(chǔ)、納米存儲(chǔ)、存算一體等方向發(fā)展。 ? 近年來(lái)，隨著云計(jì)算與人工智能應(yīng)用的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的流量不斷擴(kuò)大，數(shù)據(jù)處理速度慢和能耗高的問題逐漸成為束縛計(jì)算性能發(fā)展的障礙。相對(duì)于CPU性能的提升，內(nèi)存的進(jìn)步則相對(duì)緩慢，從而導(dǎo)致存儲(chǔ)速度嚴(yán)重滯后，即“內(nèi)存墻”問題。隨著多核處理器和大數(shù)據(jù)應(yīng)用的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)搬運(yùn)的需求大幅增加，為了解決“內(nèi)存墻”問題，行業(yè)內(nèi)如SK海力士、美光科技等企業(yè)寄望于提高存儲(chǔ)器帶寬，因此高帶寬存儲(chǔ)技術(shù)（High-Bandwidth Memory，HBM）應(yīng)運(yùn)而生。 ? 不同于傳統(tǒng)的2D DRAM，HBM技術(shù)采用3D堆疊的DRAM芯片，通過硅通孔（TSV）技術(shù)實(shí)現(xiàn)多層內(nèi)存的垂直互連，并且使用系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP）技術(shù)將GPU和多個(gè)DRAM芯片緊密集成，這種設(shè)計(jì)方式極大提高了數(shù)據(jù)傳輸速度，并能在較小的物理空間內(nèi)提供更大的存儲(chǔ)容量和更高的帶寬，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更低的延遲和功耗。正因?yàn)槿绱耍琀BM技術(shù)被認(rèn)為是數(shù)據(jù)中心等高性能計(jì)算應(yīng)用的理想內(nèi)存解決方案。 ? 5

結(jié)語(yǔ)

展望未來(lái)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)將面臨更多的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。隨著數(shù)據(jù)量的爆炸式增長(zhǎng)，如何提高存儲(chǔ)效率、降低存儲(chǔ)成本、滿足多元化的數(shù)據(jù)需求，將是存儲(chǔ)技術(shù)未來(lái)發(fā)展的重要課題。同時(shí)，隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，如分布式存儲(chǔ)架構(gòu)、云存儲(chǔ)、DNA存儲(chǔ)、納米存儲(chǔ)和存算一體等新興方向也將為存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)無(wú)限可能。 ?

審核編輯：黃飛

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