作者
Stephanie Susnjara
Staff Writer
IBM Think
Ian Smalley
Staff Editor
IBM Think
什么是闪存？
闪存是一种固态存储技术，使用闪存芯片来写入和存储数据，以每秒输入/输出操作量 (IOPS) 计。
闪存解决方案囊括从 USB 驱动器到企业级阵列的范围，不应与随机存取存储器 (RAM) 或短期存储器混淆。与带有移动部件的硬盘驱动器相比，USB 闪存驱动器可以实现更短响应时间（例如微秒级延迟）。闪存使用非易失性存储器 (NVM)，这意味着关闭电源时数据不会丢失。
闪存存储也使用高可用性固态硬盘 (SSD)，并且比机械磁盘存储需要更少的能量和物理空间。
如今，闪存是存储设备（USB 闪存驱动器、SD 卡）、智能手机、移动设备和数码相机中的关键组件。
闪存的演变
随着电子设备变得越来越小、更便于携带，闪存存储的开发旨在满足对非易失性、紧凑型和节能存储不断增长的需求。
1986 年，东芝推出了第一款 NAND 闪存芯片，该芯片针对紧凑型存储和快速写入速度进行了优化，以支持存储应用程序（固态硬盘、存储卡）。1993 年，Intel 发布了 NOR 闪存，它更适合需要快速数据读取的应用程序，例如嵌入式系统（引导代码、固件）。
快闪存储器提供了具有突破意义的性能，并迅速颠覆了数据存储世界，改进了旋转型磁盘和存储卡。随着数据使用量的增长以及设备变得越来越轻便小巧，闪存系统被证明是存储、写入、重新编程和传输数字信息的最快方式。
2000 年，USB 闪存驱动器（也为拇指驱动器）已被开发用于存储和传输文件。这种便携式设备结构紧凑，容量远大于早期存储系统。2005 年，苹果公司推出首款基于闪存的 iPod，加速了消费者对闪存存储技术的采用。
到 2000 年代后期，基于闪存的固态硬盘 (SSD) 开始取代笔记本电脑和数据中心环境中的硬盘驱动器 (HDD)，带来更短的启动时间、更低的功耗和更高的耐用性。
存储单元技术的发展标志着闪存存储容量的重大进步。从每个单元可存储 1 个比特的单层单元 (SLC) 技术开始，到 2000 年代中期，行业发展到每个单元可存储 2 个比特的多层单元 (MLC) 技术。东芝于 2009 年推出了三层单元 (TLC) 技术，Samsung 于 2010 年采用了该技术，每个单元可存储 3 个比特位信息。每一代都在平衡性能考虑的同时增加了存储密度。
随着 3D NAND 技术的引入，这种转变在 2010 年代加速；该技术通过垂直堆叠存储单元来增加存储密度并降低每 GB 成本。
2011 年初，作为闪存原生接口的 NVMe（非易失性存储器快速通道）的发布进一步释放了闪存的潜力，实现了跨外围组件互连快速通道 (PCIe) 连接的超低延迟和高吞吐量性能。
2018 年，Micron 推出了四层单元 (QLC) 闪存驱动器，每个单元使用 4 个数据位，与 TLC 相比，密度提高了 33%。与 TLC 相比，QLC 可提供更好的容量和更实惠的价格，但速度更慢且耐久性更差。它们最适合读取密集型工作负载，例如归档存储、内容交付和 AI 推理，而不是写入密集型应用程序，例如社交媒体平台。
对于大型企业来说，闪存的速度和密度使其成为首选的存储技术，并在很大程度上取代了硬盘，成为数据中心的主要存储介质。闪存也已成为现代 IT 基础架构的基础，为从边缘计算到 AI 模型训练的所有领域提供支持。
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闪存存储与传统存储的对比
硬盘驱动器通过机电硬件存储数字信息。硬盘驱动器具有成本效益，非常适合长期存储和大文件存储。然而，硬盘驱动器在一段时间后往往会出现物理损坏的情况，并且由于存在移动组件，会产生各种延迟问题。
闪存现在承担了以前为计算机硬盘驱动器保留的功能。例如，当计算机启动时，它会通过基本输入/输出系统 (BIOS) 序列运行。最初包含 BIOS 的固件需要只读存储器 (ROM) 芯片，但现代系统将闪存用于 BIOS，允许在不从系统主板提取芯片的情况下重写内容。
闪存介质可用于增强此类存储，能确保应用程序更快速运行并进一步扩展。虽然 HDD 依然是具有成本效益的档案存储介质，但企业工作负载越来越需要闪存技术能够提供的速度和可靠性。
现在，主存储环境通常使用闪存的微秒延迟和高 IOPS 能力，而软件定义存储 (SDS) 创建虚拟化池，以智能方式管理两种介质类型的数据。这种技术融合使组织能够实施混合方法 - 使用闪存来处理性能关键型工作负载，同时将不常访问的数据（包括 SaaS 备份）转到到更经济的传统存储系统。
闪存如何工作？
闪存依赖于快闪存储器，这是一种由数百万个微小浮栅 MOSFET 晶体管组成的半导体。这些晶体管以类似于城市街区的网格模式排列，每个交叉点都有一个能够存储信息的专用晶体管。
闪存中的基本存储单元是闪存单元。每个存储单元都包含一个浮栅晶体管，即使断电也能保持电荷。
这些晶体管的特别之处在于其独特的双栅极设计。控制栅极位于顶部并管理电流，而浮动栅极则由绝缘氧化层隔离。当数据写入闪存时，电压会施加到控制栅极，迫使电子穿过绝缘层并被捕获在浮动栅极上。这些被俘获的电子会改变晶体管的电特性，代表二进制 1 和 0。由于浮栅被绝缘层包围，这些电子会无限期地处于被捕获状态，从而无需恒定电力即可保持数据访问。
闪存分为低密度、中密度和高密度，高密度存储在相同的物理空间内封装了更多单元。这一技术进步推动了具有巨大存储容量的日益紧凑设备的开发，从 USB 驱动器到智能手机，再到可以存储数 TB 信息的固态硬盘。
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闪存和存储器类型
闪存技术可以采用不同的形式和配置来实现，每种形式和配置都满足不同的性能需求和用例。以下是主要类型的概述：
存储阵列
存储阵列（也称为磁盘阵列或磁盘存储阵列）将多个磁盘驱动器组合在一起，以实现基于区块的数据存储。存储阵列将存储与网络通信和连线功能分开，因此提供的容量高于一组文件服务器的容量。借助存储阵列，组织中的多台服务器可高效访问相同的存储数据。
SSD 闪存驱动器
使用固态硬盘 (SSD) 闪存驱动器来存储使用闪存存储的数据。SSD 相较于传统硬盘 (HDD) 有几个优势。例如，硬盘由于其机械组件而存在固有的延迟。固态系统不包含移动部件，从而使延迟更低，因此需要更少的 SSD。
SSD 拥有多种外形规格。例如，2.5 英寸是最常见的台式机及笔记本电脑尺寸。由于大多数现代 SSD 都是基于闪存技术，因此闪存存储就成为固态系统的代名词。
全闪存阵列
全闪存阵列使用快闪存储器进行存储。这些现代架构旨在最大限度地提高性能和存储容量，而不受 SSD 存储区域网络 (SAN) 传统功能的限制。同时，此类架构还具备超低延迟且高度可用，全闪存存储阵列在高负载下提供一致的性能，非常适合多云环境和 NVMe 等存储协议。最新一代全闪存阵列融合了计算存储功能，允许直接在存储设备上进行数据处理，以减少数据移动并加速 AI 工作负载。
混合闪存存储
混合闪存存储使用了 SSD 和 HDD，为各种工作负载提供平衡的基础架构。硬盘驱动器是一种廉价的技术，非常适合大文件和数据的备份和恢复实践。在需要高吞吐量和低延迟的情况下，可将数据移动至 SSD 和闪存阵列。
这种分层方法可优化性能和成本效益，适用于具有不同存储要求的组织。现在，先进的 AI 驱动数据放置算法可根据使用模式和应用需求，自动优化数据在闪存与传统存储空间中的驻留位置。
闪存存储接口和协议
以下是一些最重要的闪存存储接口和协议：
NVMe
SAS 和 SATA 接口
NVMe over Fabrics (NVMe-oF)
NVMe
非易失性存储器快速通道 (NVMe) 是一种通过外围组件互连高速通道 (PCIe) 总线访问闪存存储的接口。NVMe 在单项连线支持数千个并行请求。它简化了应用程序与存储之间的交互，并显著提高了性能。NVMe 目前是高性能闪存存储的主流协议，对于延迟敏感型应用（如实时分析和 AI 工作负载）至关重要。
SAS 和 SATA 接口
SAS（串行连接 SCSI）与 SATA（串行高级技术附件）是两种广泛用于连接存储设备与计算机系统的接口。虽然最初为硬盘驱动器开发，现也应用于基于闪存的固态硬盘。SATA 常见于消费级设备，而 SATA 则凭借更高可靠性与吞吐量成为企业存储环境的首选。
尽管 NVMe 等新协议正逐步取代它们，SAS 与 SATA 在旧系统及预算敏感型部署中依然常见。它们还有助于延长现有基础设施的使用寿命，因此在分阶段升级的环境中仍具实用价值。
NVMe over Fabrics (NVMe-oF)
NVMe over Fabrics 将 NVMe 协议扩展到各种网络结构，例如以太网、光纤通道或 InfiniBand。这些网络结构允许远程访问闪存存储设备，其低延迟和高性能几乎与直接连接的 NVMe 驱动器相同。NVMe-oF 非常适合大规模分布式环境，例如现代数据中心和云基础设施，此类环境要求存储空间快速、有弹性且可共享。
闪存存储用例
闪存存储具有速度快、耐用和节能的特点，因此被广泛应用于各种领域：
企业数据中心：大型企业依靠基于闪存的固态硬盘 (SSD) 和全闪存阵列来支持任务关键型工作负载，减少延迟，并可以确保数据中心环境的高可用性。闪存存储可加速实时分析、云服务和人工智能 (AI) 应用程序的数据处理。数据中心的闪存存储还增强了数据管理能力，支持对大量数据集进行快速索引、检索和处理，从而优化了数据库性能并提高了整体系统效率。
移动设备：闪存存储对于智能手机、平板电脑和笔记本电脑至关重要，确保可以快速访问应用程序、系统文件和用户数据。闪存的紧凑特性使其能够实现纤薄、轻巧的设计，同时又不影响性能。
游戏与图形领域： 玩家受益于闪存存储的高速数据传输，可实现快速加载时间与增强的图形处理性能。闪存存储也提升了游戏主机及视频编辑工具的表现。
IoT 设备：闪存因其速度和低功耗而广泛用于物联网 (IoT) 设备。从智能家居小工具到工业 IoT 传感器，闪存存储可以确保快速的数据收集、处理和传输。
边缘计算：随着更靠近源头处理数据的需求不断增加，闪存存储在边缘环境中发挥着至关重要的作用。它允许快速的现场数据存储和检索，这对于需要实时决策的应用程序至关重要。
云存储：闪存存储是现代云基础架构的基础，可提供跨分布式环境的海量数据高速访问。它的可扩展性和性能是云存储和其他服务日益普及的关键驱动因素。
汽车：闪存在汽车中的应用越来越广泛，如导航、娱乐系统和自动驾驶技术。
闪存存储和安全性
在企业环境中，闪存已成为数据安全方法的重要组成部分。闪存存储的速度有助于改进备份和恢复实践，缩短在响应安全事件或系统故障时的恢复时间。
现在，许多组织使用可移动闪存设备进行气隙备份，将关键备份数据与网络物理隔断，以限制勒索软件和其他网络威胁的风险。这种物理隔离可提供有效的保护层，防止网络攻击。
闪存存储的性能可支持网络弹性（通过数据复制、快照和加密等实际应用），对系统性能的影响比传统存储更小。在受监管的行业中，闪存存储可通过 WORM（一次写入多次读取）功能和有助于构建整体安全架构的访问控制等特性来帮助履行合规义务。