[发明专利]数据存储设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及数据存储，更特别但非排他性地涉及能够存储G字节的数据并能够以高密度存储数据的海量存储存储器设备。

背景技术

具有磁盘的硬盘驱动器是用于个人计算机(PC)中的海量数据存储和检索的主要技术。利用目前的技术，硬盘驱动器具有高达约100～200G字节的存储容量，但是在诸如便携式音乐播放器、视频播放器以及其它便携式多媒体设备等通常具有在30～40G字节范围内的驱动容量的一些设备、乃至低于10G字节的数字式照相机的较小设备中使用较小容量的小型单元。硬盘驱动器的基本结构的传统可以追溯到19世纪的留声机，其根本上是基于旋转盘的机械设备，所述旋转盘具有能够定位在盘上从而读取(并写入)存储在盘上(一般以圆形轨道)的数据的枢轴安装臂。诸如CD或DVD读/写设备等光学存储设备在基础层级采用类似的结构，其中使用将激光束向下发射到盘上的头来光学地访问旋转盘(其存储机制可以基于多种物理机制)。

存在一个广泛的共识，即省去硬盘驱动器及其它基于旋转盘的设备将是理想的，因为它们是个人计算机和具有几G字节海量存储要求的其它设备中最后的精确(truly)机械组件。旋转盘系统受到机械组件(诸如盘轴承)的不可靠性的影响，不能被很好地小型化，而且不能在高振动或高冲击环境中使用。全部都需要超平盘表面，头可以访问该表面。灰尘颗粒或其它外来物体对表面的任何污染或表面的翘曲或其它不平坦性都可能通过头的撞击而导致读/写失败或设备的严重损坏。此外，访问时间具有机械时间尺度(mechanical time scale)，并在PC中严重限制微处理器的性能。据估计，在PC中，微处理器的指令周期的高达三分之一可能由于等待硬盘而被浪费。

基于半导体集成电路的非易失性串行存储器继续在降低成本和增大容量方面大力发展。(连续地、即按照文件顺序存储数据并因此而适合于文件存储的串行存储器将与单独地、即按照位顺序存储数据并因此而适合于小数据段的高速访问(诸如用于处理操作)的随机存取存储器(RAM)形成对比。)串行半导体存储器通常采取某种形式的EEPROM(电可擦可编程只读存储器)。闪速存储器是精选的非易失性半导体存储器，广泛地用于诸如USB记忆棒、用于数字式照相机的CF/SD存储卡、移动电话和MP3播放器等设备中。然而，采用目前的技术，半导体存储器仍然太昂贵而不能取代硬盘驱动器。此外，此类存储器受到与有限写持续时间和写等待时间相关的问题的影响。特别地，闪速存储器在发生可靠性和性能退化之前具有达到约1000次写操作的寿命。而且，由于需要充满用于数据存储的大的容量，所以闪速存储器的写等待时间高。另外，闪速存储器具有约40Mbit/mm²(约25Gbit/in²)的存储密度限制。

具体地举例来说，目前的闪速芯片以约为15Gbit每平方英寸的面积密度存储数据。ULSI芯片的制造成本约为每平方英寸100美元，因此，闪速存储器的每位的成本约为1毫美分。相比之下，目前硬盘驱动器的制造成本约为100美元，且其随着存储容量而变化不大，因此大的PC盘驱动器、较小的膝上型计算机盘驱动器或用于数字式照相机的小形状系数驱动器的成本全部都大致相同。对于100G字节的PC盘驱动器，每位的成本因此为0.01毫美分，即比闪速存储器便宜约100倍。另一方面，用于例如2G字节的照相机的小型盘驱动器将具有约1毫美分每位的成本，即与闪速存储器相同。闪速存储器与硬盘驱动器之间的商业权衡在MP3播放器市场中最明显，在那里，较小容量的播放器是基于闪速存储器且较大容量的播放器是基于硬盘驱动器。

除每位成本之外，海量数据存储设备的另一关键参数是信息密度。盘驱动器和闪速存储器两者均在其能够存储的信息密度方面受到目前的现有光刻的重要限制。在闪速存储器的情况下，光刻限定基本存储单元；典型单元的面积约为10F²，其中F是在使用中能够通过光刻的生成而制造的最小特征尺寸(目前为90nm，很快就将是65nm)。在硬盘驱动器的情况下，使用光刻来限定写头中的间隙并因此限定可以写入的最小位尺寸，所述间隙限定写磁场的聚焦有多好。这两种技术的存储密度因此无法在不对光刻性能实现突然(且出乎意料)的改变的情况下实现数量级的飞跃。

出于多种原因，非常需要逐步增加数据存储密度。