隨著SSD技術(shù)的進(jìn)展，HDD面臨的應(yīng)用難題也越來越大

閃存供過于求已經(jīng)是既定的事實(shí)，過去兩三年存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)推動(dòng)閃存制造工藝的 3D 化有成，使得產(chǎn)能大幅擴(kuò)充，影響所及，閃存的報(bào)價(jià)也快速下殺，當(dāng)然，對(duì)閃存生產(chǎn)業(yè)者而言，恐怕將迎來一場難以避免的血戰(zhàn)，但對(duì)于終端廠商而言，則是個(gè)利好消息。尤其是 SSD （固態(tài)硬盤） 業(yè)者，更可望趁這波閃存成本下滑，快速搶占 PC 與消費(fèi)類市場主流存儲(chǔ)地位。

過去 HDD（機(jī)械式硬盤） 占據(jù)主流存儲(chǔ)技術(shù)已經(jīng)有數(shù)十年之久，因?yàn)閱挝淮鎯?chǔ)成本相對(duì)較低，且性能也較同時(shí)期的存儲(chǔ)技術(shù)，比如說軟盤或光盤為佳而廣受歡迎，而過去隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代興起的各類型影片下載需求，也讓 HDD 的銷售不斷攀升，然而隨著 SSD（固態(tài)硬盤） 技術(shù)的進(jìn)展，以及網(wǎng)絡(luò)串流的興起，其面臨的應(yīng)用難題也越來越大。

圖｜閃存報(bào)價(jià)近來因競爭激烈而崩跌，SSD 制造商漁翁得利

首先，在傳輸速度以及隨機(jī)讀取能力方面進(jìn)展有限，而因?yàn)闄C(jī)械式 HDD 的先天物理特性限制，讀寫速度的改善難度非常高。

另外，雖然就傳統(tǒng)觀點(diǎn)而言，機(jī)械式 HDD 的存儲(chǔ)容量高，單位存儲(chǔ)成本也最低，這也是過去包含光學(xué)存儲(chǔ)或者是半導(dǎo)體存儲(chǔ)之所以難以挑戰(zhàn)其市場地位的主要原因。但是在半導(dǎo)體存儲(chǔ)，也就是固態(tài) HDD 方面，由于制造工藝的改進(jìn)，固態(tài) HDD 的基本存儲(chǔ)單元，也就是 NAND 閃存，其每單位存儲(chǔ)容量的制造成本快速降低，使得每 GB 的存儲(chǔ)成本快速下滑，幾乎達(dá)到崩盤的程度，更讓傳統(tǒng)機(jī)械式 HDD 感受到壓力山大。

當(dāng)然，像 Seagate 等傳統(tǒng)HDD 廠商，為了避免被市場淘汰，也積極強(qiáng)化 HDD 本身的存儲(chǔ)容量與性能表現(xiàn)，Seagate 推出基于 HAMR 熱輔助磁記錄技術(shù)，WD 則計(jì)劃導(dǎo)入 MAMR 微波輔助磁記錄技術(shù)，要將單顆 HDD 的存儲(chǔ)容量往上提升數(shù)個(gè)量級(jí)，希望持續(xù)維持 HDD 每 GB 存儲(chǔ)成本的優(yōu)勢。但大趨勢已成，未來 HDD 轉(zhuǎn)往企業(yè)應(yīng)用發(fā)展已經(jīng)是不得不走的方向。

HDD 雖仍可維持單位存儲(chǔ)成本優(yōu)勢，但被消費(fèi)性市場淘汰已經(jīng)是時(shí)間問題。

圖｜通過新世代磁存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，未來 HDD 與 SSD 的每單位容量存儲(chǔ)成本差距應(yīng)該有機(jī)會(huì)維持在 10 倍的魔術(shù)數(shù)字。

在新技術(shù)的推動(dòng)之下，HDD 在特定商業(yè)存儲(chǔ)應(yīng)用上還是有相當(dāng)大的發(fā)展空間，比如說服務(wù)器中的近線與線下存儲(chǔ)需求，而各類型監(jiān)控行業(yè)所需要的視頻存儲(chǔ)需求，或者是電影工作者對(duì)視頻編輯后的存儲(chǔ)需求，都是以容量取勝的 HDD 占優(yōu)勢。

圖｜超薄筆記本電腦蔚為潮流，此類產(chǎn)品中 HDD 基本上已經(jīng)沒有生存空間。

然而在消費(fèi)類市場方面，由于過去最主流的 HDD 存儲(chǔ)應(yīng)用，也就是網(wǎng)絡(luò)視頻的下載存儲(chǔ)已經(jīng)不流行，視頻串流服務(wù)取而代之，消費(fèi)者在本地端存儲(chǔ)視頻的需求也大為減少，另一方面，像筆記本電腦越來越輕薄，傳統(tǒng) HDD 基本上已經(jīng)沒有辦法進(jìn)入這種輕薄化的電腦機(jī)構(gòu)內(nèi)部。

另一方面，對(duì)消費(fèi)者而言，電腦的操作反應(yīng)取決于存儲(chǔ)系統(tǒng)的選擇，SSD 因其持續(xù)與隨機(jī)傳輸性能的巨大優(yōu)勢，在系統(tǒng)反應(yīng)能力上要遠(yuǎn)優(yōu)于 HDD，且未來隨著總線帶寬的增加，SSD 的傳輸性能還可能不斷往上延伸，但 HDD 因?yàn)橄忍鞕C(jī)械結(jié)構(gòu)的特性，基本上與高速存儲(chǔ)無緣，對(duì)消費(fèi)者而言，系統(tǒng)反應(yīng)速度也將是影響其選擇存儲(chǔ)媒體的關(guān)鍵，而用過 SSD 的消費(fèi)者，基本上都不大可能回頭去忍受 HDD 的龜速。

最后，閃存市場已經(jīng)走入供過于求，SSD 容量的飆漲與價(jià)格的崩跌已經(jīng)是正在發(fā)生的現(xiàn)況，雖然在企業(yè)市場 SSD 的容量還是偏小，除了線上以外還無法拓展到近線與線下存儲(chǔ)，但在不需要海量存儲(chǔ)的消費(fèi)市場，也將對(duì) HDD 的生存空間也將進(jìn)一步排擠，未來 HDD 恐怕會(huì)消失在消費(fèi)市場。

3D 制造工藝推動(dòng)閃存成本崩跌，加速 SSD 普及化

目前 SSD 所使用的閃存幾乎都已經(jīng)走向 3D 工藝，誠然，3D 工藝相較起傳統(tǒng)平面工藝在制造成本方面其實(shí)要昂貴許多，且其良品率也要比一般 2D 工藝要差，然而 3D 工藝有個(gè)好處，那就是其可容許多層疊加的方式可以在同樣的芯片布局上大幅增加容量。

目前存儲(chǔ)相關(guān)的半導(dǎo)體零件，不論是閃存，或者是運(yùn)存，其計(jì)價(jià)方式基本都是以容量單位為計(jì)價(jià)方式，換言之，如果在同樣的工藝基礎(chǔ)下達(dá)到更高的單位容量，那么就能創(chuàng)造更高的獲利。

而 3D 工藝每疊加一層，同樣面積的容量就能增加一倍，以主流的 64 層來看，同樣的芯片面積就能達(dá)到原本 2D 工藝的 64 倍存儲(chǔ)容量，如果不用 3D 工藝，而是使用傳統(tǒng) 2D 工藝，并通過工藝微縮的方式來增加單位面積容量，要達(dá)到 64 倍，恐怕就必須要使用 1nm 以下的工藝，基本上不大可能在可見的未來用合理的成本達(dá)到。

傳統(tǒng)的 2D 工藝是由光刻主導(dǎo)的工藝，20nm以下的節(jié)點(diǎn)通常需要多個(gè)多重曝光和顯影步驟，當(dāng)然，隨著光刻設(shè)備的進(jìn)步，單次顯影，甚至節(jié)點(diǎn)微縮也逐漸成為可能，換言之，從一個(gè)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的推動(dòng)力主要來自于光刻工具的改進(jìn)。當(dāng)升級(jí)光刻工具時(shí)，通?？梢杂卯?dāng)前的工具以舊換新獲得改進(jìn)后的工具，從而降低轉(zhuǎn)換成本。

但這種 2D 工藝的改良其實(shí)耗費(fèi)成本極高，且不同世代的光刻技術(shù)在制造效率上也有所不同，要從 2D 工藝的進(jìn)步來取得單位存儲(chǔ)成本的改善雖有可能，但 2D 工藝的進(jìn)展逐漸牛步化，10nm 以下的工藝發(fā)展需要的資金成本與技術(shù)積累已經(jīng)不是一般半導(dǎo)體芯片制造商可以負(fù)擔(dān)得起，就以臺(tái)積電為例，其為 7nm 工藝發(fā)展所投入的資本就將近上百億美元，5nm 甚至將投資超過 250 億美元，雖然針對(duì) DRAM/NAND 的工藝與邏輯芯片使用的工藝不大一樣，技術(shù)要求稍低，但仍是可觀的付出，且未來技術(shù)的革新與投入的成本只會(huì)因?yàn)榘雽?dǎo)體物理特性的限制而更慢更昂貴。

另一方面，2D 工藝的微細(xì)化其實(shí)對(duì)閃存的可靠性也會(huì)有負(fù)面影響，由于閃存的晶格結(jié)構(gòu)必須要有足夠的厚度來維持電氣特性，如果太薄，可讀寫的過程中這些結(jié)構(gòu)可能會(huì)被電子打穿，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的永久性損失，這也是所謂的磨耗。

既然 2D 走不通，那么就只好轉(zhuǎn)向3D 堆疊，而這也已經(jīng)是目前 SSD 或者是各類存儲(chǔ)卡所使用閃存的共通制造技術(shù)。

圖｜以 16nm 平面 128GB 容量 TCL 與 32 層 3D 工藝制造的 384GB 容量 TLC 的成本結(jié)構(gòu)比較，雖然每片晶圓貴了將近 2 倍，但每 GB 成本僅約一半

上圖顯示在 32 層的 3D 工藝之下，約較傳統(tǒng) 2D 平面工藝成本增加約 2 倍，而在64 層的情況之下，根據(jù)美光所做的計(jì)算，同樣晶圓的成本約增加 5 倍，而這也是加計(jì)良率之后的試算結(jié)果，而在良率改善之后，單片晶圓可用的切割率也會(huì)增加，每單位容量成本還會(huì)進(jìn)一步下降。

另外，3D 堆疊通常使用較落后的工藝，比如說 32nm 或 28nm 工藝，一來成本較低，二來閃存的晶格可以維持在較合理的厚度，對(duì)提升閃存的使用壽命有著顯而易見的好處。

若以正?？捎昧悸视?jì)算，32 層開始的閃存成本將逐漸與平面工藝的閃存拉開差距，而隨著層數(shù)的增加，成本差距也會(huì)越來越大。當(dāng)然，32 層以后的良率其實(shí)非常難以提升，當(dāng)初三星等閃存廠商在 64 層工藝上為了提升良率，花了將近兩年的時(shí)間，由于良率低，為了滿足客戶的訂單需求，就必須通過大量生產(chǎn)來彌補(bǔ)良率的不足，造成硅晶圓的不正常消耗（閃存使用的硅晶圓占所有芯片制造應(yīng)用的將近 4 成），這也是導(dǎo)致硅晶圓自 2016 下半年開始缺貨漲價(jià)的主要原因之一。

從 2017 下半年開始，各主要閃存大廠在 64 層工藝上基本上已經(jīng)達(dá)到非常高的良率，2018 年也都朝向 96 層甚至 128 層發(fā)展。

因?yàn)橹圃旃に嚺c良率的改善，閃存成本在 2018 下半年已經(jīng)有了明顯的下滑趨勢，甚至主要閃存制造商，包含三星、LG、Hynix 等，在庫存滿倉的情況之下，也醞釀要控制擴(kuò)產(chǎn)的速度，然而 3D 工藝多層化的趨勢不變，即便設(shè)備的擴(kuò)增速度減緩，但單位存儲(chǔ)容量的增長是停止不了的，也因此，未來數(shù)年價(jià)格下殺的趨勢恐怕已經(jīng)是扭轉(zhuǎn)不了的趨勢，不過這是產(chǎn)存產(chǎn)業(yè)的常態(tài)，業(yè)界也都習(xí)以為常了。

圖｜不同工藝的成本差距，32 層的每GB 成本比平面工藝低了 30%，而 64 層又比 32 層再降低 30%

圖｜隨著 3D 閃存堆疊的層數(shù)增加，每單位存儲(chǔ)成本與平面工藝的差距還會(huì)持續(xù)下降，未來閃存可能就不會(huì)再使用 2D 工藝

由于 3D 工藝的快速成熟，閃存成本崩盤式下跌，基于閃存的 SSD 容量在不斷攀高的同時(shí)價(jià)格也屢創(chuàng)新低，雖然和 HDD 平均容量仍有一段距離，但是在一般消費(fèi)類大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求有限的狀況下，性價(jià)比逐漸追趕上 HDD。而 SSD 天生的高速表現(xiàn)，能為消費(fèi)者極大程度改善使用體驗(yàn)。

而我們從主要幾大 HDD 供應(yīng)商的財(cái)報(bào)中也可以看出，HDD 在消費(fèi)市場的銷售也不斷下滑，多數(shù)銷售都轉(zhuǎn)往企業(yè)或云端客戶。反而針對(duì)消費(fèi)市場的 SSD銷售不斷增加。

圖｜每單位存儲(chǔ)成本與性能對(duì)比趨勢變化，也可看出 SSD 在性能居絕對(duì)優(yōu)勢，而成本亦不斷逼近 HDD，加速了整個(gè)取代的過程

HDD 廠商的抵抗，主推大容量技術(shù)并以企業(yè)應(yīng)用優(yōu)先

目前市場中的兩家主力 HDD 供應(yīng)商，也就是 Seagate 和 WD，在市場上仍舊擁抱著 HDD 技術(shù)，并期待能通過技術(shù)變革來維持其應(yīng)用壽命。不過 Seagate 和 WD 在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上還是有相當(dāng)大的不同，目前 Seagate 有將近 9 成營收都還是來自于 HDD，反觀WD，HDD 僅占不到一半的營收比重，二者未來都把 SSD 當(dāng)作重要的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)，但 Seagate 的閃存需倚賴外部供應(yīng)，而 WD 已經(jīng)大規(guī)模量產(chǎn) 64 層 3D 閃存，96 層產(chǎn)品也已經(jīng)箭在弦上。

而就 HDD 未來的市場目標(biāo)，也幾乎都轉(zhuǎn)向企業(yè)應(yīng)用為主，消費(fèi)市場為輔，容量也就成為最大的武器。

而 Seagate 與 WD 針對(duì)未來 HDD 市場所推出新技術(shù)分別如下：

Seagate：

Heat-AssistedMagnetic Recording （HAMR）—熱輔助磁記錄：

圖｜Seagate 的 HAMR 技術(shù)，未來容量擴(kuò)展空間極大，但成本較高

一般 HDD 由于是采用磁力原理來紀(jì)錄數(shù)據(jù)，但隨著磁密度的增加便會(huì)使得數(shù)據(jù)穩(wěn)定的難度愈來愈高，也因此讓目前的 HDD 磁密度規(guī)格成長愈趨緩慢。為了讓磁密度增加的同時(shí)也能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)的穩(wěn)定性，Seagate在多年前就已經(jīng)提出 HAMR（Heat-AssistedMagnetic Recording）熱輔助磁記錄，它利用激光精確地聚焦數(shù)據(jù)將被寫入的區(qū)域，加熱介質(zhì)，避免磁介質(zhì)出現(xiàn)超順磁效應(yīng) （Superparamagnetism）。而磁碟在被激光加熱到居禮點(diǎn) （Curiepoint） 后，磁片失去了磁性和超順磁效應(yīng)，在數(shù)據(jù)寫入后，碟片會(huì)迅速冷卻，寫入的數(shù)據(jù)也會(huì)穩(wěn)定下來。通過這樣的精確加熱，HAMR 可以顯著提升硬碟的寫入密度。

理論上采用這種技術(shù)所能達(dá)到的極限存儲(chǔ)密度可達(dá) 10TB/平方英寸。而就 Seagate 官方說法，基于 HAMR 技術(shù)的 HDD 容量規(guī)格很有機(jī)會(huì)在 2019 年達(dá)到 70TB 以上。

然而 HAMR 原理說起來容易，但實(shí)現(xiàn)起來就沒這么簡單，HAMR 需要全新的存儲(chǔ)介質(zhì)、重新設(shè)計(jì)的激光讀寫磁頭、特殊的 NFT 近場光學(xué)傳感器以及其他大量的新型態(tài)的元件，因此技術(shù)推出這么多年，還沒辦法達(dá)到商業(yè)量產(chǎn)。不過 Seagate 似乎已經(jīng)在技術(shù)上獲得突破，近期已經(jīng)宣布首款 HAMR 技術(shù) HDD 可望在年底或明年初推出。

WD：Microwave-AssistedMagnetic Recording （MAMR）—微波輔助磁紀(jì)錄：

圖｜WD 的 MAMR 技術(shù)好處是關(guān)鍵零件少，制造成本較低，但容量較小

日立存儲(chǔ)的科學(xué)家發(fā)明出另一種輔助磁記錄技術(shù)，也就是微波輔助磁紀(jì)錄，從另一個(gè)技術(shù)角度來提高寫入密度。后來 WD 在 2012 年收購了日立存儲(chǔ)，也順理成章的接收了此一技術(shù)。

微波輔助磁記錄就是利用微波場作用磁矩，以此提高磁矩的反轉(zhuǎn)速度并且同時(shí)降低反轉(zhuǎn)場，磁矩在磁場的作用下進(jìn)動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)共振頻率，微波輔助磁記錄技術(shù)就是恰到好處地利用這個(gè)共振頻率，在磁矩反轉(zhuǎn)進(jìn)動(dòng)的過程中施加輔助微波磁場，促進(jìn)磁矩快速反轉(zhuǎn)。其核心部件就是自旋磁矩振蕩器 （Spin Torque Oscillator），透過它可以產(chǎn)生合適的微波。而采用MAMR 技術(shù)后，碟盤理論密度最高可以做到 4TB/平方英寸。

由于 MAMR 關(guān)鍵部件只有自旋磁矩振蕩器，復(fù)雜程度以及生產(chǎn)成本都遠(yuǎn)低于熱輔助磁記錄技術(shù)，不過其容量擴(kuò)增能力就略遜于 Seagate 的 HAMR 技術(shù)。WD同樣計(jì)劃在 2019 年推出基于 MAMR 技術(shù)的 HDD，而最大容量可望突破 40TB。

新技術(shù)可望為 HDD 續(xù)命，但將轉(zhuǎn)向企業(yè)市場

雖然 HDD 每單位存儲(chǔ)成本在新技術(shù)導(dǎo)入后仍有機(jī)會(huì)維持相對(duì)低檔優(yōu)勢，但存儲(chǔ)容量其實(shí)有其邊際效益，大過一定程度后其實(shí)對(duì)消費(fèi)者而言已經(jīng)不再有吸引力，反而這時(shí)存儲(chǔ)的傳輸性能會(huì)成為關(guān)鍵，而 HDD 在這方面的技術(shù)差距和 SSD 恐怕只會(huì)越差越大。

不過 HDD 也不是一無是處，未來大容量 HDD 在服務(wù)器中就可扮演近線與線下存儲(chǔ)的角色，由于這類應(yīng)用不需要太快的速度，因此可望取代傳統(tǒng)磁帶機(jī)的功能，為業(yè)者帶來更好更可靠的數(shù)據(jù)備援能力。