新興存儲技術(shù)在住宅網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用及選擇策略

住宅網(wǎng)關(guān)(RG)不僅是家庭中所有語音、視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的中心入口和控制點(diǎn)，而且還是未來業(yè)務(wù)發(fā)展的基礎(chǔ)。但由于缺乏具有魯棒性、安全而靈活的存儲系統(tǒng)，住宅網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)展緩慢。本文深入研究了采用增強(qiáng)型閃存解決方案開發(fā)住宅網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)和成本優(yōu)勢，以及發(fā)展趨勢。 


住宅網(wǎng)關(guān)是在寬帶接入網(wǎng)(WAN)和家庭局域網(wǎng)(LAN)之間充當(dāng)家庭網(wǎng)絡(luò)核心的一類設(shè)備，支持互聯(lián)電器之間的雙向通信和數(shù)據(jù)傳輸，并可接入互聯(lián)網(wǎng)。住宅網(wǎng)關(guān)是提供通用高速互聯(lián)接入的關(guān)鍵設(shè)備，可為不同寬帶接入方式與多種家庭聯(lián)網(wǎng)解決方案，如HomePNA、HomeRF、無線LAN或IEEE1394的集成提供平臺和匯集點(diǎn)(convergence point)。同樣， 住宅網(wǎng)關(guān)還是業(yè)務(wù)提供商通過互聯(lián)網(wǎng)對本地設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程業(yè)務(wù)配置的重要手段。 


推動住宅網(wǎng)關(guān)發(fā)展有諸多因素，包括以下幾點(diǎn)：1. 新興的本地網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷涌現(xiàn)；2. 帶有智能電子控制系統(tǒng)的家庭不斷增加；3. 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商不斷擴(kuò)展新業(yè)務(wù)；4. 互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用持續(xù)增長；5. 國際通用標(biāo)準(zhǔn)的制訂；6. 寬帶互聯(lián)應(yīng)用不斷推廣；7. 新興休閑娛樂方式(包括數(shù)字電視)涌現(xiàn)。 


典型的網(wǎng)關(guān)架構(gòu) 


由于寬帶技術(shù)的應(yīng)用相對行比較新，并在不斷發(fā)展，因此住宅網(wǎng)關(guān)的功能也在不斷完善。此外，住宅網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)必須能滿足未來5至10年的發(fā)展變化，這意味著必須以模塊化、著眼于未來的方式設(shè)計(jì)相關(guān)的軟件和硬件。為了更好地理解住宅網(wǎng)關(guān)，首先有必須了解其核心器件：住宅網(wǎng)關(guān)主要由處理器、存儲器、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器、家庭聯(lián)網(wǎng)芯片組和相關(guān)軟件組成，其中存儲器包括易失性存儲器(RAM)和非易失存儲器(閃存)。 


處理器是住宅網(wǎng)關(guān)的核心器件，負(fù)責(zé)處理幾乎所有的任務(wù)。處理器決定了適用的操作系統(tǒng)、可運(yùn)行的軟件、功耗及系統(tǒng)穩(wěn)定程度等特性。此外，處理器還是整個系統(tǒng)成本的主要決定因素，處理器越新、越快、功能越強(qiáng)，住宅網(wǎng)關(guān)也就越昂貴，也更適用于未來的應(yīng)用需要。現(xiàn)有的一些主流處理器實(shí)際上是將網(wǎng)絡(luò)器件和CPU集成在高性價(jià)比芯片上的系統(tǒng)級芯片。 


與計(jì)算機(jī)一樣，網(wǎng)關(guān)也需要存儲器對用戶或運(yùn)營商發(fā)出的指令進(jìn)行存儲和操作。存儲器可用的有效數(shù)據(jù)越多，網(wǎng)關(guān)運(yùn)行的速度就越快。網(wǎng)關(guān)通常采用RAM和閃存，RAM存儲的數(shù)據(jù)易失，因此一旦電源關(guān)閉，RAM將丟失所存儲的內(nèi)容。相反，即使斷電閃存也能保障網(wǎng)關(guān)的操作系統(tǒng)和專用特性以及用戶數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)等信息。閃存是重要資源的“保護(hù)神”，在可能的條件下應(yīng)當(dāng)為存儲的代碼和數(shù)據(jù)提供可靠而持長久的硬件和軟件保護(hù)。 


由于網(wǎng)關(guān)支持多種調(diào)制解調(diào)器，因此具有較強(qiáng)的配置靈活性。這些調(diào)制解調(diào)器可為直播衛(wèi)星、固定無線寬帶、雙向電纜網(wǎng)絡(luò)，以及電力線局域網(wǎng)和ISDN的寬帶接入網(wǎng)絡(luò)提供互聯(lián)。在住宅網(wǎng)關(guān)的本地網(wǎng)絡(luò)側(cè)，芯片組可為運(yùn)行在本地網(wǎng)上的特定技術(shù)提供接口。除不同類型的寬帶和本地網(wǎng)芯片組之外，所有的網(wǎng)關(guān)還包含支持設(shè)備運(yùn)行所需軟件的計(jì)算資源。 


住宅網(wǎng)關(guān)上運(yùn)行的軟件能改善家庭信息設(shè)備與業(yè)務(wù)之間的協(xié)同工作。軟件雖然使用戶無須關(guān)心系統(tǒng)部件的復(fù)雜性，但住宅網(wǎng)關(guān)必須具有極其穩(wěn)定的操作系統(tǒng)，以調(diào)節(jié)如存儲器和處理器利用率等資源的分配，操作系統(tǒng)還必須足夠小以降低存儲成本。此外，操作系統(tǒng)還必須具有靈活的模塊化軟件配置，以適應(yīng)未來不斷增長的器件架構(gòu)需求，并進(jìn)行遠(yuǎn)程更新和升級。 


住宅網(wǎng)關(guān)的功能 


住宅網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)決定于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供的服務(wù)。傳統(tǒng)上，服務(wù)提供商僅僅只獲得接入上的收費(fèi)，而住宅網(wǎng)關(guān)則有助于運(yùn)營商提供適用于家庭的傳統(tǒng)服務(wù)和增值服務(wù)。這些服務(wù)包括： 


1. 通信：為PC和互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)接入以及實(shí)現(xiàn)家庭多個設(shè)備互連的服務(wù)提供商將受到市場的歡迎。此外，增值電話業(yè)務(wù)，如基于IP的語音和單線多話路連接服務(wù)將得到更多用戶的響應(yīng)。 


2. 安全：基于住宅網(wǎng)關(guān)的安全系統(tǒng)可取代現(xiàn)有的安全系統(tǒng)。新興的先進(jìn)業(yè)務(wù)，如系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控可利用標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器或移動電話實(shí)現(xiàn)，這將有效集成現(xiàn)有的核心業(yè)務(wù)和安全業(yè)務(wù)，并為用戶提供更廣泛的安全措施。 


3. 家庭自動化：將家庭自動化和現(xiàn)有家庭服務(wù)捆綁起來，這樣可吸引更多以前對家庭自動化不感興趣的用戶來關(guān)注住宅網(wǎng)關(guān)。 


4． 未知業(yè)務(wù)：如果設(shè)計(jì)能真正著眼于未來應(yīng)用，則必須考慮未來可能的需求，而這些需求目前還不被住宅網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)工程師和業(yè)務(wù)提供商所了解。這只能通過真正的模塊化架構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)，這種設(shè)計(jì)必須集成靈活的可擴(kuò)展硬件平臺，以及支持為開展新服務(wù)而對操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序升級的魯棒性文件系統(tǒng)。 


住宅網(wǎng)關(guān)的類型 


住宅網(wǎng)關(guān)是在互聯(lián)網(wǎng)和家庭內(nèi)部網(wǎng)之間路由數(shù)字內(nèi)容的面向用戶的設(shè)備，目前主要有以下幾類網(wǎng)關(guān)： 


1. 基于計(jì)算機(jī)的家庭服務(wù)器：基于計(jì)算機(jī)的網(wǎng)關(guān)也稱為家庭服務(wù)器，理論上是最簡單易行的一種住宅網(wǎng)關(guān)，因?yàn)槟壳耙呀?jīng)具備了大量已安裝并具處理能力的計(jì)算機(jī)、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器和軟件平臺，這完全適用于配置家庭聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。 


2. 數(shù)字視頻錄像機(jī)(DVR)：DVR可安裝軟件，這有助于用戶以數(shù)字方式記錄并存儲電視節(jié)目。電視觀眾利用DVR可以暫停直播電視節(jié)目，甚至還能繞開商業(yè)廣告。目前，DVR已能提供寬帶數(shù)字網(wǎng)絡(luò)接口，在不遠(yuǎn)的將來，DVR有望成為提供各種新業(yè)務(wù)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備。 


3. 數(shù)字機(jī)頂盒(STB)：數(shù)字STB仍是消費(fèi)電子產(chǎn)品市場上發(fā)展最快的一種數(shù)字設(shè)備，數(shù)字STB為內(nèi)容提供商、服務(wù)提供商、設(shè)備生產(chǎn)商和半導(dǎo)體供應(yīng)商提供了一個大有潛力的市場。STB以前只是一種單純的接收設(shè)備，而現(xiàn)在則能處理傳統(tǒng)的計(jì)算和DVR功能。對通信公司來說，采用集成DVR的STB很重要，這樣可以使其服務(wù)和平臺區(qū)別于其它的競爭對手。 


4. 其它類型：游戲機(jī)和多用途測量設(shè)備提供了一種富有想象力、有意義的平臺，并將發(fā)展為具有市場潛力的住宅網(wǎng)關(guān)類型。像微軟和索尼這些公司都相信高速游戲平臺完全可作為未來數(shù)字家庭的網(wǎng)關(guān)或集線器。 


共享存儲器件 


所有期望在家庭網(wǎng)關(guān)市場上占有一席之地的數(shù)字消費(fèi)電子產(chǎn)品都具有共同的一點(diǎn)，即需要高可靠性、高性能、低成本和低功耗的存儲器。目前，存儲器已成為業(yè)務(wù)增長最快的領(lǐng)域，這不僅體現(xiàn)在存儲器的規(guī)格和數(shù)量不斷增大而封裝卻越來越小，而且存儲器的成本和功耗也不斷下降。住宅網(wǎng)關(guān)的存儲器可分為基于閃速半導(dǎo)體的固態(tài)存儲器和硬盤存儲器，這些存儲器基于不同的標(biāo)準(zhǔn)，并具有不同的外形和規(guī)格。 


眾所周知，硬盤的壽命低于消費(fèi)電子產(chǎn)品的平均壽命。硬盤固有的耐用性受限于內(nèi)部的可動部件，并受其所處的環(huán)境因素影響，硬盤的故障可能嚴(yán)重影響服務(wù)提供商的商業(yè)利益。據(jù)一些機(jī)頂盒生產(chǎn)商反映，PVR硬盤驅(qū)動的年故障率可達(dá)2%至8%，而且目前還沒有降低該故障率的有效途徑。此外，由于電子設(shè)備的成本原因，硬件設(shè)計(jì)工程師因此轉(zhuǎn)向固態(tài)閃存器件以滿足下一代住宅網(wǎng)關(guān)的存儲需求。目前，包括AMD、英特爾、M-Systems、東芝和三星均可提供固態(tài)閃存解決方案，典型固態(tài)閃存的容量可達(dá)1MB至128GB。 


NAND閃存和NOR閃存 


NOR閃存和NAND閃存是目前閃存市場上的主導(dǎo)產(chǎn)品，這兩種技術(shù)獨(dú)具特色并面向不同的目標(biāo)市場。在下一代住宅網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中，當(dāng)采用閃存時，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)當(dāng)對每種可選的技術(shù)進(jìn)行仔細(xì)權(quán)衡，以選擇最適合的產(chǎn)品和技術(shù)。 


首先，NOR通常只用于代碼存儲，因此主要應(yīng)用于簡單的數(shù)字設(shè)備，如低端蜂窩電話或不含任何網(wǎng)關(guān)功能的簡單電纜調(diào)制解調(diào)器。相反，NAND通常既能應(yīng)用于數(shù)字設(shè)備，如機(jī)頂盒、MP3播放器、數(shù)碼相機(jī)、高端蜂窩電話和住宅網(wǎng)關(guān)的代碼存儲，也能應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲。然而，未經(jīng)處理的NAND并不能取代NOR，NAND必須與分離的引導(dǎo)ROM和控制器相結(jié)合，以克服NAND固有的數(shù)據(jù)完整性缺陷，或者與特殊軟件相結(jié)合，管理并糾正數(shù)據(jù)錯誤。 


在性能上，NOR最適用于讀取數(shù)據(jù)，但寫數(shù)據(jù)或擦除數(shù)據(jù)的速率則不如NAND，因此NOR通常不適用于像住宅網(wǎng)關(guān)和需要文件處理功能的設(shè)備。在上述操作中，NAND的性能通常比NOR高幾個數(shù)量級。 


通過比較兩種技術(shù)的物理架構(gòu)，不難發(fā)現(xiàn)為什么對于給定的裸片尺寸，NAND可提供更高的密度和容量，并具有很高的性價(jià)比。NAND實(shí)現(xiàn)高容量的關(guān)鍵在于NAND的單元尺寸只有NOR的一半。即使將單級單元NAND技術(shù)與多級NOR相比，結(jié)論也是如此。 


通過采用簡單的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)商可以很容量地生產(chǎn)8MB至128MB的NAND產(chǎn)品。因此，越來越多的生產(chǎn)商樂于選擇NAND產(chǎn)品以滿足業(yè)務(wù)提供商提出的BOM成本目標(biāo)。然而，要將NAND應(yīng)用到可靠性和穩(wěn)定性要求較高的住宅網(wǎng)關(guān)設(shè)備中，設(shè)計(jì)工程師將面臨艱巨的挑戰(zhàn)。 


控制NAND性能的三種機(jī)制 


1. 外部硬件控制器：除NAND自帶的硅芯片外，還需要與實(shí)際閃存陣列相結(jié)合的控制器，從而在固態(tài)硅芯片上提供硬盤所能實(shí)現(xiàn)的功能。這類NAND管理系統(tǒng)的性能較高，但相應(yīng)的成本也較高，其整體的耐久性和可靠性并不理想。 


2. 管理軟件：NAND閃存管理軟件系統(tǒng)的代碼非常復(fù)雜，且通常運(yùn)行于住宅網(wǎng)關(guān)的主機(jī)CPU上。盡管采用管理軟件具有低成本的優(yōu)勢，但同時也有嚴(yán)重可靠性問題。由于操作系統(tǒng)或閃存容量的每次變化都需要增加額外的成本，需要設(shè)計(jì)新的驅(qū)動程序和算法，從而限制了該解決方案的推廣應(yīng)用。 


3. 硬件和軟件結(jié)合：硬件和軟件結(jié)合的方式，即硬件嵌入在閃存硅裸片上，與可選方案1相比，系統(tǒng)開銷略微增加。該類產(chǎn)品是唯一無需分離引導(dǎo)ROM器件即可啟動系統(tǒng)的基于NAND的產(chǎn)品，因此該類住宅網(wǎng)關(guān)的模塊結(jié)構(gòu)極具成本效益?；旌辖Y(jié)構(gòu)方法是住宅網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)工程師最樂意采用的解決方案，該方法具有很高的可靠性和性能，并具有較高的成本優(yōu)勢。盡管其初始成本比原始的NAND閃存解決方案略高，但減少了一般方案中NAND數(shù)據(jù)和可靠性問題可能額外增加的成本，因此從長遠(yuǎn)的角度看，混合設(shè)計(jì)具有較好的成本效益。 


選擇合適的存儲容量 


設(shè)計(jì)工程師為住宅網(wǎng)關(guān)提供的存儲器容量多大才最合適呢？目前市場上已出現(xiàn)許多不同容量的存儲器，包括1MB到64MB的閃存，以及上千兆字節(jié)的硬盤存儲器。在一些需要大量媒體存儲的應(yīng)用中，必須采用硬盤存儲器，同時用閃存作為軟件代碼存儲。目前市場上出現(xiàn)采用1MB、2MB或4MB閃存的設(shè)計(jì)，這種似乎為占領(lǐng)市場的1-4MB存儲器的設(shè)計(jì)難以帶來任何市場增值，僅僅略微降低了一點(diǎn)產(chǎn)品市場價(jià)格。 


真正的住宅網(wǎng)關(guān)必須具備使ISP能為用戶提供眾多業(yè)務(wù)選擇的能力：一些業(yè)務(wù)是目前已有的，而有些業(yè)務(wù)則尚未可知。要提供充足的空間，當(dāng)前設(shè)計(jì)的最小閃存容量應(yīng)為8MB至16MB，預(yù)計(jì)到2003年則將達(dá)到32MB至64MB。而實(shí)際上，采用單級單元技術(shù)或多級單元技術(shù)的16MB至32MB NAND閃存的成本與4MB至8MB的NOR閃存相當(dāng)。