存儲卡及其在工業(yè)應用中的歷史

在消費領(lǐng)域中，閃存卡已經(jīng)存在多年。如今，所有的數碼相機和手機都離不開(kāi)它們。但其重要性遠不止于此，因為它們在工業(yè)環(huán)境中也占有一席之地，并且是無(wú)數應用中必不可少的部分。在本文中，Swissbit AG 存儲解決方案總經(jīng)理 Roger Griesemer 將會(huì )詳細介紹一些存儲卡格式的歷史，并解釋它們在工業(yè)應用中的區別。

CompactFlash?卡

在數據備份應用中，使用 NAND 芯片的存儲介質(zhì)因只有有限的寫(xiě)入量而令人望而卻步。與硬盤(pán)不同，閃存的寫(xiě)入次數是有限的，并且在很大程度上取決于所使用的存儲技術(shù)。上世紀90 年代， NAND 閃存在變得更加普及且價(jià)格更加合理后，人們自然而然地開(kāi)始尋求用固態(tài) NAND 閃存技術(shù)取代對振動(dòng)敏感的磁盤(pán)的方法。但是，由于其使用壽命有限，只能將其定義為可更換，且外形尺寸需要比當時(shí)的 2.5 英寸硬盤(pán)驅動(dòng)器 (HDD) 小得多才有意義。90 年代中期，帶有 PATA 接口的 CompactFlash 卡(CF卡)誕生了。

容量以 MB 計的 CompactFlash 卡很快被數碼相機制造商采用。此后不久，筆記本電腦也裝上了 CompactFlash 讀卡器，將CF卡變成了一種便攜式存儲介質(zhì)。在工業(yè)應用中，CompactFlash 展現出了許多優(yōu)勢，最顯著(zhù)是在穩健性和耐惡劣環(huán)境方面。CompactFlash 卡多年來(lái)一直在穩步發(fā)展。如今，它已經(jīng)更新到了 6.0 版本，性能和容量都還在不斷提升。

CFast? 卡

由于并行接口包含大量信號線(xiàn)， CompactFlash 卡所采用的 PATA 接口（并行數據傳輸）后來(lái)被串行版本 (SATA) 所取代。新產(chǎn)品于 2008 年以 CFast 的名稱(chēng)推出，人們所熟識的外形也沒(méi)有改變。然而，由于 SD 卡已經(jīng)在消費市場(chǎng)占據主導地位，因此 CFast 在消費領(lǐng)域的應用相對較少。但對于工業(yè)應用而言，情況就有所不同了。在工業(yè)應用中，CFast 與其前身 CompactFlash 卡一樣得到了廣泛使用。跟 SD 卡相比，CFast 具有明顯的優(yōu)勢：更高的存儲容量；連接器接口有完全的物理保護，防止誤觸和污染；更好的散熱能力；使用了相同的 CFC 插槽和 IPC 外殼；以及性能顯著(zhù)提高。

就像從 PATA 切換到 SATA 一樣，CFast 卡也在不斷進(jìn)化，對 PCIe 接口的采用迫在眉睫。PCIe 是存儲領(lǐng)域最新的接口標準。PCIe 3.1 支持高達 4 GB/s 的數據速率，而新的 NVMe 協(xié)議可以確保非常低的主機驅動(dòng)程序到控制器固件的延遲。

XQD卡

同樣，最先采用 XQD 格式的領(lǐng)域是專(zhuān)業(yè)數碼相機。事實(shí)上，XQD 標準被一些數碼相機廠(chǎng)商定義為帶有PCIe接口的存儲卡。早在 2012 年，第一臺帶有專(zhuān)有 XQD 卡的相機就已問(wèn)世。就物理尺寸而言，XQD 卡介于 SD 卡和 CFast 卡之間。然而，與 SD 卡不同的是，其電氣接口位于正面，觸點(diǎn)帶有防誤觸保護功能。

CFexpress卡

XQD 最初僅支持單 PCIe 通道。但它在 2017 年演變?yōu)?CF 協(xié)會(huì )（CompactFlash Association, CFA）的CFexpress，成為公布的標準。為了滿(mǎn)足不同的性能要求，有單 PCIe 通道的超薄型A 型、支持 2 通道的 XQD 兼容型 B 型和尺寸更大的 4 通道 C 型。2 通道 B 型的數據速率可達到約 1.5 GB/s，性能是 CFast 的四倍。因此，可以預見(jiàn)，CFexpress 卡將會(huì )與 CFast 卡一樣，在工業(yè)應用中得到廣泛應用。

此外，它與CFast 卡一樣具有很多優(yōu)勢：觸點(diǎn)保護防誤觸、保護設備免受環(huán)境影響的封閉式外殼以及在惡劣的工業(yè)條件下也能安全更換。CFexpress 卡支持熱插拔，可以在運行時(shí)直接更換，從而減少工廠(chǎng)設備的停機時(shí)間。

SD Express 卡

目前，另一種正在爭奪可更換存儲媒體市場(chǎng)且采用了 PCIe 接口的產(chǎn)品是 SD Express 卡。它采用了 SD 存儲卡的尺寸和 SD 卡的接口，同時(shí)帶有一個(gè)額外的 PCIe 接口。這使得它能夠在采用了先進(jìn)的 PCIe 系統的同時(shí)向后兼容傳統的 SD 卡應用。該標準將得到哪種程度的應用還有待觀(guān)察。

工業(yè)存儲卡的區別在哪？

盡管存儲卡在消費類(lèi)產(chǎn)品和工業(yè)環(huán)境中都得到了廣泛使用，但在某些情況下，這兩個(gè)市場(chǎng)的要求完全不同：例如，熱管理在工業(yè)應用中極為重要。它通過(guò)限制數據速率以確保發(fā)熱量保持在限制范圍內，而不會(huì )對系統性能產(chǎn)生太大影響。此外，還應使用支持 -40℃ 至 +85℃ 工業(yè)溫度范圍的 NAND 閃存，并且該閃存還需要支持交叉溫度（寫(xiě)入和讀取時(shí)的溫度不同）。

同時(shí)，工業(yè)級產(chǎn)品的使用壽命通常會(huì )比消費級產(chǎn)品高出數倍。供能系統或鐵路控制系統中的控制器在現場(chǎng)使用了 20 年的情況并不少見(jiàn)，因此直到如今仍然需要購買(mǎi)可用于更換的存儲卡。作為工業(yè)級內存產(chǎn)品方面的專(zhuān)家，Swissbit 自 CompactFlash 時(shí)代開(kāi)始就一直為要求嚴苛的應用提供經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)優(yōu)化的卡。Swissbit 是 CFast 卡市場(chǎng)的推動(dòng)者之一。Swissbit 還提供專(zhuān)為嵌入式市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的 CFexpress 卡。Swissbit 不僅活躍于各個(gè)世代的初期，也活躍于進(jìn)入舊型階段的產(chǎn)品。

作者：Swissbit AG 存儲解決方案總經(jīng)理 Roger Griesemer。

（圖片來(lái)源 Swissbit）

在可移動(dòng)存儲介質(zhì)的整個(gè)發(fā)展過(guò)程中，Swissbit 一直為工業(yè)應用提供產(chǎn)品，并持續為舊型系統提供長(cháng)期支持。

CompactFlash? 卡最初用作數碼攝影的存儲，后來(lái)進(jìn)入了鐵路控制系統、網(wǎng)絡(luò )系統等設備。

與 SD 存儲卡相比，CFast? 具有更高的存儲容量、更佳的觸點(diǎn)保護能力以避免誤觸和污染等風(fēng)險、更高效的散熱以及更易于使用的堅固外殼。

目前，Swissbit 推出了 G-20 CFexpress 卡，它采用了高成本效益的 3D TLC NAND ，同時(shí)還有采用 3D pSLC 的具有高長(cháng)期穩定性的 G-26。