IEEE报告解读：存储技术发展趋势分析

1.引言

随着数据科学、物联网（IoT）和永久存储需求的快速增长，对大规模数据存储的需求正在迅速增加。存储技术的发展趋势直接关系到数据的可靠性和经济性。本文将根据IEEE最新发布的《2023年国际器件与系统路线图》，深入探讨各种存储技术的现状和发展趋势，包括固态存储、硬盘驱动器（HDD）、磁带存储和DNA存储技术。我们将分析这些技术的关键属性、面临的挑战、以及未来的潜在解决方案。

2.固态存储技术

自1993年以来，NAND闪存市场经历了从无到有的巨大转变，成为了价值接近600亿美元的巨大市场。NAND闪存不仅取代了传统存储媒介，而且还为新兴市场提供了支持。

NAND Flash 市场发展历程：

早期市场：NAND闪存最初的应用是在数字电话答录机中代替音频磁带。然而，真正推动NAND闪存市场增长的是其在数码相机中的应用。
小型闪存卡的兴起：随着数码摄影的普及，一系列小型闪存卡应运而生，包括PCMCIA（PC卡）、CompactFlash、Smart Media、MultiMediaCard（MMC）和Secure Digital（SD）卡。
市场扩张：随着NAND闪存成本的降低，其应用范围不断扩大，从最初的数码相机扩展到了USB闪存驱动器，进而取代了软盘和可写CD。此外，随着音频播放设备从传统的磁带和CD播放器转变为MP3播放器，NAND闪存的需求进一步增长。

NAND Flash存储技术持续发展，通过增加3D NAND层数和提高每个单元的比特数来增加容量。目前，业界正在进入200层以上的3D NAND技术。预计到2027年，层数将达到300+层，到2029年将达到500+层，这将使单个晶粒的最大容量从2Tb增加到4Tb，再到8Tb。

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目前，所有提到的替代存储技术（如MRAM、FeRAM、ReRAM等）的成本都高于DRAM或NAND闪存，这限制了它们在大多数情况下的应用。只有在特定情况下，当这些技术的某些特殊属性比成本更为重要时，才会考虑采用它们作为替代品。

其他新兴固态存储技术：

SCM（Storage Class Memory）：包括Intel/Micron的3D XPoint存储，这类技术提供了介于DRAM和NAND Flash之间的性能和持久性，但成本较高。

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FRAM（Ferroelectric Random Access Memory）：具有快速读写速度和无限次读写次数的优点，但目前主要用于嵌入式应用。
MRAM（Magnetoresistive RAM）：提供高速度和高耐用性，但成本较高，适用于特定嵌入式应用。
RRAM（Resistive RAM）：具有低功耗和高速度的优点，但目前的耐用性和稳定性限制了其广泛应用。

下面雷达图直观地展示了新兴存储技术在多项技术属性上的优势。这些技术在存储密度、读写速度、耐用性和能耗等方面的表现优于当前主流技术，显示出新兴技术在未来的存储市场中具有广阔的应用前景。然而，成本问题和其他技术成熟度的问题仍然是新兴技术面临的主要挑战。

3.机械硬盘HDD

硬盘驱动器（HDD）作为大规模数据存储技术的重要组成部分，至今仍占据着主导地位。自IBM在1956年首次推出HDD以来，这项技术一直是计算数据系统的核心。然而，随着技术的发展和市场需求的变化，HDD市场正经历着重大的转型。

目前，就出货的存储容量而言，HDD是大规模数据存储行业中最大的单一组成部分。HDD市场正在经历几个重要趋势，导致单位销量下降但总位容量增长。预计到本世纪末，近线存储市场的增长将稳定HDD总体销量的下降趋势。

随着桌面和笔记本电脑市场的缩小，标志着2.5英寸形式因素在这两个领域的衰落。
高性能的企业级HDD（10k和15k rpm驱动器）已经被SSD所取代，市场上仅剩下7200 rpm和更低转速的HDD。
尽管HDD在某些领域的销量下降，但在数据中心作为温存/冷存的高容量存储（近线存储）方面，HDD的销量和位容量都在强劲增长。

尽管HDD在某些领域面临着挑战，但通过采用新的技术，如HAMR HDD能够不断提高位密度，从而增加容量并降低每比特的成本。尽管NAND Flash存储容量不断增加，但每比特成本的下降速度不足以使其与HDD在成本上竞争。此外，QLC NAND的耐用性问题限制了其在某些应用场景中的使用。

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磁盘存储技术的发展一直依赖于不断提高的面密度增长率来实现更大的存储容量。面密度是指在磁盘表面上每平方英寸可以存储的比特数。随着技术的进步，如HAMR（热辅助磁记录）、HDMR（加热点磁记录）、TDMR（双磁头磁记录）、双阶段执行机构、高灵敏度读取器等，磁盘存储技术有望实现更高的面密度。

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虽然HAMR、HDMR等新技术为磁盘存储技术带来了提高面密度的希望，但高昂的研发成本和生产风险，加上市场竞争和资金短缺等因素，将限制未来面密度增长率的增长速度。根据ASRC（先进存储研究协会）的面密度路线图预测，从2022年到2035年，磁盘存储的面密度将以每年20%的复合年增长率（CAGR）增长。这一预测反映了当前的技术发展趋势和市场状况。

随着磁盘存储技术中面密度的快速增长，存储设备的总容量也随之增加。然而，这也带来了一系列问题，其中包括访问给定数据所需的时间增加，以及读取或写入磁盘上所有数据所需的时间也随之增加。虽然磁盘驱动器访问数据的平均性能以每年约10%的速度增长，但随着磁盘驱动器容量的增长速度快于性能增长速度，磁盘访问密度（IOPS/TB）持续下降。

对于硬盘HDD制造商和存储解决方案提供商来说，解决访问密度问题是至关重要的，尤其是在高容量近线存储领域，需要平衡成本和性能之间的关系。

4.磁带存储技术

磁带存储技术与硬盘驱动器（HDD）一样，基于相同的磁性记录原理，并且利用了许多由高容量和先进的HDD行业开发的技术。例如，线性磁带驱动器首先采用了AMR（各向异性磁阻）、随后是GMR（巨磁阻）以及最近的TMR（隧道磁阻）读取技术，这些技术都是在用于硬盘驱动器之后大约10年左右才被用于磁带驱动器中的。最新的企业级磁带驱动器IBM TS1170在2023年8月发布，其原生磁带盒容量达到了50TB。

虽然最先进的磁带驱动器的比特长度仅约为最高容量硬盘驱动器的3.5倍，但磁带驱动器的磁道宽度约为硬盘驱动器的12倍，因此磁带的面密度约为硬盘驱动器的42倍。

最新的磁带盒包含超过1000米的12.65毫米宽的磁带，例如TS1170磁带驱动器的用户磁带长度超过1200米，这使得可用的记录表面积大约是高容量硬盘驱动器的100倍。

最新的企业级磁带格式的容量大致是当时市场上最高容量硬盘驱动器（即22TB CMR和26TB SMR）的两倍。

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超越硬盘的潜力

面密度差距：磁带系统的面密度大约是硬盘驱动器的42倍，这意味着磁带系统有潜力在面对超顺磁效应（即磁记录三难问题）之前继续提高面密度和容量多个世代。这是当前硬盘驱动器行业正在努力解决的问题。

磁带驱动器技术：

技术采用：磁带驱动器开发者已经采用了原本为硬盘驱动器开发的多种技术，包括读取头技术和数据通道算法，如NPML（噪声预测最大似然检测）。
独特挑战：磁带驱动器开发者面临的挑战是将这些技术适配于磁带驱动器，并开发额外的技术来应对柔性磁带上并行记录的独特挑战。
并行记录：与硬盘驱动器中的单个活动记录通道不同，最先进的磁带驱动器可以并行记录和验证32条磁道。
三模块头设计：在最近几代的IBM企业级和LTO磁带驱动器中，采用了一个三模块头设计，包括一个读取模块（带有32个数据读取器和两个伺服读取器）夹在两个数据写入模块之间，每个数据写入模块包含32个数据写入器和两个伺服读取器。
双向记录与验证：左侧写入模块用于向前方向写入数据，右侧写入模块用于反向写入数据，中间的读取模块用于双向的数据读回和边写边读验证。
可靠性与纠错：除了边写边读验证提供的可靠性之外，磁带驱动器还实现了强大的纠错码（ECC）来实现比硬盘产品好四个数量级的比特错误率。

磁带存储技术虽然在面密度方面落后于硬盘驱动器，但它利用了更长的磁带长度和更宽的磁道宽度来实现更高的容量。此外，通过采用原本为硬盘驱动器开发的技术，并针对柔性磁带的独特挑战进行适配，磁带驱动器能够在保证高可靠性和低错误率的同时，实现大容量存储。随着技术的进步，磁带存储技术仍有潜力在未来继续提高其容量和可靠性。

5.DNA存储技术

随着数字化时代的到来，世界正在尝试将前所未有的大量信息转化为数字形式。这些信息如果能够被挖掘、整合或者以其他方式搜索和分析，将会变得非常有价值。然而，存储这些海量数据的成本已经开始超出使用传统存储技术所能承担的范围。此外，使用现有存储技术刷新数据或创建副本的操作成本也在不断增加，以至于一些大型档案库在完成上一次刷新后不久就需要开始新一轮的刷新工作。这些因素导致了潜在有价值的资料乃至新知识的发现机会被放弃，这一现象被称为“潜在不足区”。

在这种背景下，系统设计师们开始寻找新的存储技术以应对大规模的数字化浪潮。合成DNA作为一种前沿的存储技术，因其独特的特性而受到广泛关注。DNA存储技术利用合成DNA作为存储介质，具有极高的数据密度和长期稳定性。

随着合成和测序技术的进步，DNA存储技术有可能成为一种可行的大规模数据存储解决方案，尤其是在需要长期归档和可持续性存储的应用场景中。

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对比磁带（富士胶片计算器列出的价格）和云存储（AWS公开定价）的商业价格作为基准，来存储一个PB的数据。DNA数据存储的成本点是任意选取的。在大约10年左右的时间点，DNA数据存储的成本曲线与磁带和云存储的成本曲线相交，这意味着从这个时间点开始，DNA数据存储的TCO变得更加吸引人。

DNA数据存储虽然初始成本较高，但其长期存储成本的优势使得它成为长期数据归档和存储的一种有吸引力的选择。随着技术的进步，DNA数据存储的成本预计将逐步降低，进一步增强其相对于传统存储技术的竞争力。DNA数据存储特别适用于需要长期保存的数据，如历史记录、文化遗产资料、科研数据等。

DNA 数据存储（DDS）在写入方面的主要挑战在于，当前的DNA合成性能远低于现有存储介质的性能。根据上述总体拥有成本（TCO）讨论，DNA数据写入速度不一定需要直接与现有存储介质竞争。例如，对于深度/长期归档用户来说，每天几百MB（每秒几KB）的写入吞吐量可能是可以接受的。即便如此，无论进入市场的起点如何，解决方案都需要具备一定的最低性能特征，并且成本要足够低，以便在特定使用案例中实现有竞争力的TCO。

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