闪存对硬盘的威胁范围扩大
这几年来硬盘的遭遇就如同洗三暖和:忽冷忽热,2001年Apple推出ipod后,许多业者纷纷跟进地推出硬盘型数字随身听,然而这股热潮也在2005年iPod nano推出后给大大降温,虽然这是因为三星(Samsung)愿意以过往一半的价格供给NAND Flash Memory给苹果(Apple),但Flash Memory天性上比Micro Drive更娇小、省电、抗震也是不争的事实。
Apple推出使用NAND Flash Memory的iPod nano,用以取代Apple原有的中端产品iPod mini(使用1英寸Micro Drive),由于Flash Memory比Micro Drive更娇小、省电、抗震,使iPod nano的外型比iPod mini更轻薄、更长时间使用、也更耐震晃使用。
Micro Drive面对Flash Memory的唯一利基是每单位容量成本较低,即便Samsung不以半价供给,根据技术精进的自然轨迹来猜测,不用到2007年,在2006年底以前NAND Flash Memory的价格容量比就可能会超越Micro Drive。
即便不超越,消费者真的需要更大容量的Micro Drive吗?看来只剩PMP/D8/V8等应用需要,mp3 Player是可免了。如此,Micro Drive的价值从2001年提升,自2004年滑落。
不仅0.85~1.8英寸的Micro Drive如此,2.5英寸和3.5英寸的ATA硬盘也有着好坏参半的遭遇,先是有1U超薄服务器、刀片式服务器的出现,使服务器开始有效能、价格居中的硬盘需求,让ATA硬盘在后端机房市场的用量开始提升,之后又兴起VTL(Virtual Tape Library,虚拟磁带库)、D2D2T(Disk to Disk to Tape)等新备份概念,以及消费端的PVR(Personal Video Recorder,硬盘式录放机)需求,使ATA硬盘的走势更为看俏。
ATA硬盘虽然因拓增新应用而刺激用量,然而ATA硬盘的传统基本市场却开始遭动摇,理由是英特尔(Intel)于2005年秋季的开发者论坛(IDF Fall '05)上发表了Robson(暂称代号)技术,主张用数GB的Flash Memory来充当PC的主硬盘,将操作系统、常用的应用程序都安装在此Flash Memory内,如此不仅可使PC的开机更快、执行更快、休眠更快、唤醒更快,且可更节省整体用电,倘若此技术真能获得接受与普及,那么PC用的硬盘将身价骤跌,沦为第三线储存(一线为DDR/DDR2 SDRAM、二线为NAND Flash Memory),变成纯数据存放区,至多成为次常用程序的辅助安装区。
老实说,Robson技术的原理一点都不难,说穿了不过是把DOS时代就有的虚拟磁盘(Virtual Disk)技术改成Flash版,变成断电后数据仍可持留的非挥发性储存媒体,并在存取上比真实硬盘快,如同一颗超高速硬盘。
况且,类似的手法早已屡见不鲜,从80年代后期的80386DX-33开始,PC系统上就多出了一个小量、快速的系统主存储器“替身”:Cache Memory,另外,90年代后期也开始用工具程序把大容量的ATA硬盘“虚拟”成多张CD光盘,如同一个快速光盘库,Robson只是将此一概念及手法再次运用而已。
类似的,工控领域也早已使用“硅碟”多年,也是用Flash Memory来“乔装”硬盘,好用于一些不答应使用硬盘运作的控制环境中,又如2005年技嘉科技(Gigabyte)所推出的i-RAM,用DDR SDRAM搭配锂电池,等于是一种NV SRAM的进化,进化成NV SDRAM,效果与特性也等同于Flash Memory,这些都比Intel的Robson更早被提出,且已实际出货与运用,而非只是提案发想或概念验证。
附注:高端的数据库服务器为了让商务交易更快速执行,也多半将系统主存储器的容量尽量加大,并尽可能将整个数据库的数据表、记录都加载内存中,藉此来加速交易运作。Intel的Robson技术也与此类似,差别只在于服务器追求永不停机,所以内存是以全天候供电为目标,而PC仍经常有关机需要,所以需用Flash Memory来持留,或用电池来持留,或在关机前将数据回写至硬盘,但最后一项较轻易因意外或计划外的不当停机而导致数据流失。
当然!Intel既然提议了,且对桌上PC、行动PC都有帮助,未来普及机会自然很高,然而现阶段Intel仅在提议,尚未有更明确的实现标准与规范,到底Robson未来将可能以何种方式来实现?本文将针对此进行一番推敲与探讨。
附注:Intel的Robson技术要到IDF SPRing '06才会更具体。
M-Systems的快闪型硬盘IDE 4000,体积如同1.8英寸或2.5英寸的IDE/ATA硬盘,使用PATA接口,容量型款从128MB到8GB,可擦写200万次,承受1000G的运作震晃(硬盘多在300G之内,甚至120G),以及1,000万小时的MTBF(硬盘多在35万小时之内,最高约在140万小时)。
直接装DOM来解决
Intel Robson最直觉的实现法,就是向M-Systems之类的业者直接购买一个DOM(Disk On Module,或称Disk On Chip的DOC)来加装,如此只要一个会组装PC的小朋友都有办法自己完成,但缺点是占用一个ATA装置的连接位置,这对近年来的新PC较无大碍,因为近年来正好是PATA与SATA的过渡期,许多PC或主机板业者多半同时提供PATA接口与SATA接口给消费者,如此可连接的ATA装置从4个增至6、8个,DOM占据其一并不会有过多的影响。
至于更过去的PC仅有4个ATA连接位置,甚至更早的仅有单通道、2个ATA连接位置(多为Pentium之前的486),此时只要有PCI扩充槽,多加装一张PCI接口的ATA卡即可,进一步的只要将硬盘配置位置重新分配,也同样无大碍。
与硬盘合一实现
既然硬盘可能因Robson技术的出现而贬值,那么硬盘业者很可能考虑直接在硬盘的控制电路板上增加数GB的Flash Memory,将Robson的机制、益处内建至硬盘。
若真如此做,可以得到更多的好处,首先是不用向DOM一样,仅数GB就占据一个ATA接口的连接位置,成为连接资源上的浪费。其次是能够让Flash Memory与硬盘“一并寻址”,形成连续运用空间,如此在扇区规划、分割上也更具弹性,甚至能运用固件(Firmware)控制机制,将部分或全部的Flash Memory变成硬盘的Cache Memory,使硬盘获得更活化、更聪明性的加速存取。
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追加RAM容量or用Flash?
既然Intel Robson只是用闪存来充当主硬盘,但直接将系统主存储器的容量空间扩增,并使用虚拟磁盘的驱动程序,效果等同于Robson。
不过,Robson能够在断电时依旧持留资料,但RAM无法达到此点,如此可以选择只用Suspend to RAM而不正式关机及重新开机,或如前述的技嘉i-RAM,倚赖锂电池让PC在关机、重新开机时仍能续留RAM中的数据,若实行此法,不仅使内存资源的运用更灵活,且存取效率还胜Flash Memory。
若用Suspend to RAM,只要不发生意外性断电,或有UPS(不断电系统)的配套,则一切无问题。或者,使用锂电池来充当机内的迷你UPS,只要不是长达连续数天的关机,在电池电量用尽之前重新开机,则数据都能持续保存。
但是,此法仅适合用于桌上PC,因为移动PC的电力来自有限的电池,无论Suspend to RAM或用设置RAM专属的备用锂电系统,都会在PC关机后持续耗电,这时还是适合用Flash Memory,唯有Flash Memory可在断电后真的不需要电力来持留数据。
事实上Robson对移动PC的帮助大过桌上PC,对桌上PC而言,Robson主要的效益在加速,包括加速开机、加速执行、加速进出休眠状态的程序等,这些移动PC也一样受益,但更重要的是对移动PC运作上的省电,若因为加设Flash Memory,使硬盘内存取的机会大幅缩小,则硬盘的控制电路可以关闭供电,进而省电,甚至连主轴马达(负责转动硬盘盘片)也可以停止,这样省电幅度将更高。
当然!“更大容量的RAM+RAMDRIVE+Suspend to RAM”或“Gigabyte i-RAM”的速度较Flash Memory更快,但安稳性与省电性较低,相信这不会是Intel的原意,为了让技术的实现标准、规范更趋一致,再次发挥PC的大规模用量以致平价普及的良性生态循环效益,很可能桌上PC、移动PC一律实行Flash Memory。
虽然DDR SDRAM比NAND Flash Memory存取更快,但两者与硬盘比都快上数倍,且从PC整体效能的角度看,使用DDR SDRAM与NAND Flash Memory的差别不大,加上两种内存的价格相近(相同容量时),但不需要持留供电的配套设计,所以笔者推测Flash胜出的可能性较高。
附注:笔者认为,Intel Robson技术的另一间接好处是:去除PC机壳的内埋硬盘设计,现在PC也日益被要求:机壳内装的储存装置(光盘、硬盘)必须跟Cardbus/USB/1394外接式储存装置一样,答应被使用者热置换、热插拔(如Device Bay规范),确实有诸多业者已实现此一技术,但都有一个共同先决条件:唯独主硬盘不答应热插拔,一旦主硬盘在PC运作中被拔除就会导致当机,为避免当机,业者多半将主硬盘以内埋方式安装,以避免误抽拔。倘若今日将主硬盘改采Robson方式实现,只要不是与硬盘合一实现,则几乎无法被误拔,如此PC设计时就不再需要内埋硬盘的空间位置,可以一律改采外露、答应抽拔的方式。
RAM实现法之所以快过Flash实现法,除了DDR SDRAM芯片本身的读取效率较高外,Flash还需要抹除(Erase)动作才能写入,写入效率也低于RAM,加上Flash作法多半还要经过Memory to ATA的桥接转换,然后再用DMA/Bus Master与CPU争抢内存存取权,相对的只要虚拟磁盘的驱动程序能更智能精进,只要进行内存位置的搬移,甚至是改变内存空间的对应关系,即可完成传输。
NAND型Flash Memory的密度技术远胜NOR型,NOR型目前最高约至512Mbits,而NAND型已可至16Gbits,图为STMicroelectronics(意法微电子)的128Mbits、256Mbits NAND型Flash Memory,并具有传输侦错更错(Error Correction Code,ECC)与损坏区块管控(Bad Block Management,BBM)等能力。
PC芯片组内建或On-Board
最后,笔者认为还有一种可能作法,但仅是技术上可行,最后被实行的机会不高,此即是在芯片组中内建Flash Memory,或On-Board(主机板)设置Flash Memory,或在主机板上设置一个Robson专用的Flash Memory插槽,像内存DIMM一样来加装、扩充。
三种方式的实现机会都很低,第一,现有PC芯片组业者没有一家有NAND Flash技术,甚至除Intel外都是Fabless,即便是Intel也只专长在NOR Flash,NOR Flash在容量与写入特性上无法满足Robson的需要。所以芯片组业者必须与NAND Flash业者技术合作才有可能内嵌,然因为Robson的理念是Flash容量愈大愈好,芯片组恐难内嵌够大容量的Flash Memory,倘若过小也无显著的加速、省电效益,因此是技术上可能,但眼前几乎不可能这么做。
再来是主机板,过去业者尝试在主机板上内建系统主存储器,或只是小量的视讯内存(如1999年的i810芯片组),但之后都宣告放弃,原因之一是DRAM价格摆荡难测,让主机板的成本、交期增添更大变量,而今Flash的价格也愈来愈像DRAM,主机板业者也不大可能实行On-Board方案。
至于Module作法,看来最具弹性也最有可能,但笔者认为也是不可能,过去Intel有太多失败、短命的Slot/Board/Card策略,包括笔记型计算机的IMM(Intel Mobile Module)、数字音效数据的AMR/CNR、CPU供电的VRM(Voltage Regulator Module),即便真的提出Robson的卡槽标准、规范,相信会有很多人抱持观望。加上主机板换代快速、利润空间压缩,卡槽作法不仅有成本顾虑,弹性换装或升级的需求性、必要性也让人怀疑。
技嘉科技(Gigabyte)推出的i-RAM可说是更专精于桌上型运用的Robson技术,图中绿色箭头为i-RAM的原理程序,数据先存于DDR SDRAM内,由i-RAM的CPU(MicroBlaze Soft Processor,以固件搭配FPGA所形成,韧体存于EEPROM内,之后载入到FPGA)来主控存取,再将数据透过桥接芯片转换成SATA接口的型态,并与系统(主机)板上的SATA控制芯片进行沟通、传输。
结论
推敲各种实现法后,笔者也尝试推测未来Robson可能引起的连带变化。
第一是虚拟内存(Virtual Memory)的存续价值将被质疑,虚拟内存是内存昂贵时代的变通技术,现在内存泛滥到拿来当硬盘,虽然操作系统仍可兼容运作,但是虚拟内存在背景的分页切换、挪移程序似乎愈来愈无必要,未来只要采用连续大容量的系统主存储器空间,并强化操作系统核心程序对连续内存的存取效率(过去Windows 98虽可存取达GB容量的内存,但超过256MB之后的效率与运作反应就明显转钝),如此虚拟内存机制将可能逐渐遭弃舍。
其二是Windows服务器的效能改善,linux服务器的效能价值有可能稍遭反扑,但Linux的低授权成本、原码修改弹性等优点依旧不变。
三是对硬盘接口的影响,倘若不在硬盘上实现Robson,则对硬盘的存取倚赖度会降低,SATA 2X的普及进度会转缓,即便真的用SATA 2X,存取效率瓶颈将在内部传输率(读写臂感应效率、硬盘转速、磁录密度)而非外部传输率(接口倍速),SATA 2X并不能为硬盘的整体存取效能带来倍速改善。
相反的,Robson若内建在硬盘控制电路板上,则SATA 2X必须尽早到来,甚至更快进入4X,但4X就相当考验SATA传输线的物理能耐,可能替换成光纤介质较为轻易,但成本会提高,且接头、接线等实体层面都要连带替换,这时反而On-Board设计比较轻易,短距线箔确实比长距铜线轻易提升速度。
“超级兔子内存整理”是PC上常见的工具程序,可观看现有的内存用量,包括物理内存用量(机内实际装设的内存使用率)、虚拟内存用量(物理内存+硬盘分页置换空间的总连续内存使用率)、交换区用量(硬盘内的分页置换空间使用率),并且可释放因长时间操作使用而零碎分布的分页内存,以获得更连续完整的内存资源,此称为内存重整,用意类似硬盘重整。