闪存的胜利 相机存储卡发展简史

闪存的胜利 相机存储卡发展简史

Napoleon Chan / 2022-12-20 16:17:01214655

在1987年,东芝公司也就是现在铠侠公司发明了NAND闪存,这是一项至关重要的发明,它直接改变了整个储存器市场格局,让PC淘汰了软盘、刻录光盘等低效率的移动储存方式,而且为数码相机普及奠定了一个关键基础,更是在上世纪90年代引起了一场围绕NAND技术的存储卡之争。

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存储卡兴起

在1991年,柯达公司在德国Photokina展会上展示了一款数码单反相机DCS,次年DCS正式上市,型号为DCS 100。DCS 100是一台基于尼康胶片单反相机F3改造的数码相机,搭载了一块130万像素、20.5 x 16.4mm大小的CCD传感器,不过拍摄的照片是通过线缆输出到外置的DSU(digital storage unit),容量为200Mb,售价两万美元起,在1991年至1994年数年间共售出了987台。DCS 100虽是基于尼康F3机身,但是硕大的DSU决定了它毫无便携性可言,只能固定位置部署,但它依然大获成功,并指出数码相机发展的最大瓶颈——存储器。

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在1994年Sandisk公司制定了一项名为CF(CompactFlash)的通用存储卡标准,存储卡大小为43*36mm,根据厚度分为3.3mm的Type I以及5mm的Type II两种标准,后者一般用于容纳微型硬盘或是其它设备,比如说哈苏CFV数码后备就是支持CF Type II标准,不过绝大部分数码相机使用的是基于闪存技术的CF Type I。

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CF卡的接口是68针PCMCIA接口的50针子集,因此完全兼容笔记本电脑上的PCMCIA插槽,读取起来很方便。在传输协议上,它使用了PC上的IDE(PATA)并行协议,用“x”(1x=150KB/s)等级来标记速度,初期使用NOR闪存后来改为NAND闪存,1.0版之时就能提供了8.3MB/s带宽与支持最大128GB容量。受益IDE协议,CF卡速度提升很快,但由于相同原因,在PC从PATA转向SATA之时,CF卡也走到了终点,末代UDMA-7带宽为167MB/s。

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CF卡结构结实,尺寸合理,容量大,速度快,成功击败了Miniature卡、PCMCIA卡等标准,受到了数码单反相机欢迎,尤其是中高端型号,比如尼康D3、佳能1D系列往往会配备双CF卡,最后一款搭载CF卡的旗舰机型是尼康在2016年发布的D5单反相机。

不过对于俗称小DC的固定镜头数码相机来说,CF实在太大了,而且小DC对速度、容量也没有那么高,因此在90年代业界陆续制定了新的标准,比如说东芝SM,Sandisk与西门子联合制定的MMC。

SM(SmartMedia)是东芝制定的标准,最初它的名字是SSFDC(固态软盘卡),造型类似一块迷你的3.5英寸软盘。它在一块薄薄的塑料卡中嵌入了单块NAND闪存芯片,没有控制器,因此成本低,尺寸能做到很小,只有45.0×37.0×0.76mm,重1.8g,而且可通过转接器插入软驱中使用。但同样因为没有控制器,兼容性表现不太好而且可靠性表现一般。

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MMC(MultiMediaCard)是一种比SM长宽更短的存储卡,大小为32×24×1.4 mm,重2g,由Sandisk与西门子在1997年制定,初期使用1bit的串行接口,后期升级到4bit或是8bit,后期还衍生出RS-MMC、MMCplus、MMCmobile、SecureMMC多个标准。

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CF、SD称雄

不过无论是SM,还是MMC都没有笑到最后,它们最终被东芝、松下、Sandisk建立的新标准SD击败,其后SD与CF共同统治了相机存储卡标准10多年时间,SD至今仍是中低端无反相机标配存储卡。

在1999年,东芝、松下、Sandisk三家企业联合推出了SD卡(Secure Digital ),它比MMC卡厚了0.7mm,尺寸32×24×1.4mm,因此可以容纳更大的闪存颗粒,同时采用MMC卡一样的轨道式设计,向上兼容MMC卡,并且增加了SDMI协议,具有版权保护功能,大大受音乐业界欢迎,因此迅速代替了MMC卡。

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后来SD还衍生出两种不同物理规格——miniSD、microSD(也称TF),miniSD大小为21.5×20.0×1.4mm,不到SD卡一半,不过相对后来者——只有15.0×11.0×1.0mm大小的microSD,miniSD还是太大了,性能又没有质的优势,所以它最后被microSD淘汰,microSD成为智能手机、运动相机、无人机、行车记录仪中最受欢迎的存储卡。

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在20多年发展中,SD标准经历了多次革新,初期SD1.0规范时代和CF卡一样,用“x”标记速度,到了SD2.0规范时代,用Class2、Class4、Class6和Class10来标记存储卡速度,到了SD3.01规范中引入了UHS(Ultra High Speed ,超高速总线),UHS-I带宽达到了104 MB/s,到了SD4.0规范中增加了针脚数量,从而将最大带宽提升至312MB/s。期间还出现了SDHC、SDXC标准,用于扩大SD卡容量。后来业界推出了带宽达到624MB/s的UHS III标准以及基于PCIe总线的SD Express,但是在售SD最高标准依然停留UHS II,大部分microSD停留在UHS I,反而出现了一些超频UHS I标准SD卡,在搭配专用读卡器下能够实现170MB/s读取速度。

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在SD卡标准诞生之初,并非没有对手的,奥林巴斯与富士于2002年推出的XD-Picture,以及索尼独力支持的记忆棒(Memory Stick)就是对手之一。只是XD-Picture卡虽然小,只有20×25×1.7mm、重2g,但是不是一个开放标准,且采用直读闪存的设计,因此初期问题不少,比如说不能读卡器格式存储卡,传输照片时不能剪切否则会导致存储卡出错,因此难以获得富士、奥林巴斯之外厂商支持,最终在2009年走向谢幕。

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记忆棒是索尼2006年在CES上公布的标准,除了标准版本Memory Stick外,还衍生出多个Memory Stick PRO、Memory Stick Duo、Memory Stick PRO Duo、Memory Stick Micro规格,除了诞生时间较晚外,它还有索尼自定义标准大部分通病——不开放,早期只有索尼生产,后来才开放给Apacer等第三方厂商生产;垄断导致产品价格高,而性能、尺寸比SD卡又没有优势,在很长时间内记忆棒反而是宰索尼产品用户利刃,比如说PSP用户就深受其害。

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在SD卡大杀四方的同时,CF卡并非没有受到挑战,在2008年CF协会推出了CFast标准,它和PC一样,使用了新串行SATA总线,支持全双工模式(CF卡为半双工),带宽达到了3Gbps。然而在2008年NAND闪存价格高、性能也不够强,比如说东芝同年发布的MLC颗粒、2.5英寸固态硬盘THNS256GE8BC,顺序读写速度分别只能达到了120MB/s、70MB/s,连CF卡都喂不饱,CFast生不逢时。

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CFast走向成功关键是ARRI在IBC2013上发布了使用CFast 2.0存储卡的电影机Amira,CFast 2.0使用SATA 6Gbps接口,与Amira同步推出的CFast 2.0性能达到了惊人的450MB/s,自从CFast 2.0逐渐在电影机中普及,不过在相机市场中只有佳能EOS-1D X Mark II使用了CFast 2.0卡。

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CF卡的淘汰与新两强局面

把CF卡拍到岸上的后浪是CFexpress Type B卡,但要介绍此卡就不得不提XQD卡。XQD是一种基于PCIe总线技术的存储卡,在2010年11月Sandisk、索尼和尼康首次公布此标准,并在次年定型,存储卡大小为38.5× 29.8×3.8mm。由于使用了PCIe总线,带宽大幅度提高,达到了4Gbps,2012年6月发布XQD2.0更是升级到PCIe 3.0总线,带宽提高到8Gbps。

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XQD速度虽然遥遥领先,但是支持厂商寥寥无几且力度不大,尼康在前期只在旗舰机型D4、D4S等相机使用XQD,索尼更是只有少数摄影机支持,如PXW-Z100,Phase One XF IQ4则是少数第三方支持者,因此XQD卡一直不温不火。

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事情转机发生在2016年,CF协会在XQD基础上,加入了NVMe协议,推出了CFxpress Type B存储卡,它的尺寸与XQD一模一样,不少XQD设备可以通过固件升级支持CFxpress Type B。CFxpress Type B卡1.0版本就拥有2条PCIe 3.0通道,带宽可达1.97GB/s,到了2.0版中衍生出CFxpress Type A、CFxpress Type B和CFxpress Type C三个版本,分别拥有1、2、4条PCIe 3.0通道,对应带宽是1.0 GB/s、2.0 GB/s、4.0 GB/s,其中CFxpress Type A大小为20x28x2.8 mm,CFxpress Type B大小为54x74x4.8 mm在今天,CFxpress Type B借着佳能EOS R5的热卖,已经彻底淘汰CF和XQD,成为中高端相机的标配,只有使用CFxpress Type A的索尼相机例外,CFxpress Type C缺少电影机、摄像机制造商支持,至今没有量产上市。

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凭借着出色的性能、合适的大小、不算高的发热量以及较高性价比,CFxpress Type B会像当年的CF一样,在未来多年时间里牢牢抓住中高端相机存储卡市场。SD(UHS II)虽然标准老旧,但是312MB/s足够满足大部分应用场景——甚至包括8K30P RAW视频需求(Z9的8K30P RAW最低码率为1740MBps),它的问题和CFxpress Type A一样,要在小尺寸下实现高速高容量成本太高了,升级标准的意义有限。但凭借便宜、够用SD卡仍会抓紧中低端市场,与CFxpress Type B卡一同称霸相机市场,而CFxpress Type A堪比记忆棒复刻,给索尼Alpha相机用户重温PSP用户体验。真正笑道最后的是NAND闪存,它淘汰了NOR闪存、微硬盘,成为数码相机唯一储存技术。

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