存儲(chǔ)器新技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)探討

為獲得更大的存儲(chǔ)容量，需要采用不同的方法和折衷處理。例如，多層單元(MLC)閃存的容量要比單層單元(SLC)閃存的容量大，但MLC閃存的性能和硬件壽命不如SLC閃存。

與此同時(shí)，硬盤(pán)尺寸在不斷縮小。2.5英寸硬盤(pán)與以前的5.25英寸全高硬盤(pán)相比迥然不同，而且尺寸更小的硬盤(pán)卻有著更大的容量和更快的響應(yīng)速度。業(yè)界還在廣泛使用RAID提供更可靠的存儲(chǔ)，并趨向于采用更小、更靈活的解決方案。

每個(gè)處理器都要用到存儲(chǔ)器，一些系統(tǒng)可能只需一種類型的存儲(chǔ)器，但更多的時(shí)候是采用層次化存儲(chǔ)器技術(shù)，例如帶有冗余磁盤(pán)陣列(RAID)存儲(chǔ)系統(tǒng)的服務(wù)器(圖1)。每一種存儲(chǔ)器，比如高容量存儲(chǔ)器、快速存取存儲(chǔ)器或非易失性存儲(chǔ)器，都能為系統(tǒng)做出不同的貢獻(xiàn)。

圖1：SAS控制器可能利用多種存儲(chǔ)器來(lái)滿足不同的要求。

非易失性固態(tài)存儲(chǔ)器

DRAM天生是易失性存儲(chǔ)器，但非易失性存儲(chǔ)器永遠(yuǎn)是系統(tǒng)解決方案的一部分。多年來(lái)，非易失性固態(tài)存儲(chǔ)器有了戲劇性的變化，容量在不斷上升，成本在不斷下降。如今已有許多非易失性固態(tài)存儲(chǔ)器技術(shù)投入實(shí)際使用，從閃存到MRAM，再到FRAM等。

只讀存儲(chǔ)器(ROM)是一種眾所周知的非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)微控制器中更常見(jiàn)。在定制芯片中總有ROM的身影，因?yàn)樗亲罡咝У姆且资源鎯?chǔ)技術(shù)。遺憾的是，ROM保存的內(nèi)容不能像本文討論的其它非易失性存儲(chǔ)技術(shù)那樣被修改。

采用ROM的一個(gè)例子是Luminary Micro公司的LM3S9000微控制器，它的運(yùn)行時(shí)庫(kù)可以提供StellarisWare庫(kù)服務(wù)。相比之下，基于ROM的典型定制微控制器包含整個(gè)應(yīng)用程序。在Luminary Micro公司的案例中，使用ROM代碼的主程序存放在使用另一個(gè)非易失性存儲(chǔ)器的器件中。這種ROM可能有啟動(dòng)代碼，因此允許主程序來(lái)自多個(gè)源，包括來(lái)自網(wǎng)絡(luò)。

閃存能提供應(yīng)用范圍非常廣的解決方案。FRAM和MRAM也有很前途，目前主要用于重要而專業(yè)的一些應(yīng)用中，它們也有類似的特性。

這些非易失性存儲(chǔ)器可以有效地替代SRAM，并以SRAM速度工作。然而，非易失性存儲(chǔ)器沒(méi)有閃存的寫(xiě)入壽命問(wèn)題，因此可以用作初級(jí)存儲(chǔ)器和次級(jí)存儲(chǔ)器。非易失性存儲(chǔ)器的容量在不斷提高，成本在不斷下降，但仍落后于SRAM和閃存。這就導(dǎo)致一些有趣的組合，如上文提到的RAID控制器。

FRAM供應(yīng)商Ramtron公司開(kāi)發(fā)的基于8051的VRS51L31xxx微控制器系列，整合了64kB的閃存、4kB的SRAM和多達(dá)8kB的FRAM(圖3)。閃存用于程序存儲(chǔ)和長(zhǎng)期、變化緩慢的數(shù)據(jù)，SRAM和FRAM用于讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)，F(xiàn)RAM則用于處理非易失性事務(wù)。

圖3:Ramtron公司的VRS51L3xxx微控制器集成了8KB FRAM用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

FRAM和MRAM還可替代SRAM和閃存器件。Everspin公司的MR2Axx MRAM產(chǎn)品線與標(biāo)準(zhǔn)的8位和16位SRAM器件保持引腳兼容。這些器件還提供球柵陣列(BGA)封裝、35ns的讀/寫(xiě)時(shí)間和擴(kuò)展工業(yè)溫度版本。Everspin的MRAM已被用于愛(ài)默生網(wǎng)絡(luò)電源公司的基于飛思卡爾MPC864xD的MVME7100單板電腦中(圖4)。Everspin今年還推出了16Mb MRAM。

圖4：基于Freescale MPC864xD的MVME7100單板計(jì)算機(jī)采用了Everspin公司的512KB MRAM。

Numonyx公司的相變存儲(chǔ)器也即將推出。如同Z-RAM一樣，這種存儲(chǔ)器也必須戰(zhàn)勝已有技術(shù)，而它的性能和可擴(kuò)展性能夠確保它一旦推出就占盡優(yōu)勢(shì)。雖然這種技術(shù)離成熟還要幾年時(shí)間，但有必要對(duì)這種技術(shù)保持密切留意。

易失性存儲(chǔ)器

隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)是商用計(jì)算設(shè)備的中心。目前的RAM通常是易失性存儲(chǔ)器，包括替代非易失性磁芯存儲(chǔ)器的靜態(tài)RAM(SRAM)和動(dòng)態(tài)RAM(DRAM)等。不過(guò)，類似鐵電RAM(FRAM)和磁性RAM(MRAM)等新技術(shù)有望改變這一局面。

單獨(dú)的SRAM芯片仍有使用，但大多數(shù)SRAM都集成在芯片上，作為微控制器的一部分，提供從寄存器文件到多級(jí)緩存等功能。它的主要優(yōu)點(diǎn)是高性能，缺點(diǎn)是需占用芯片面積且功耗較高。

雖然DRAM和邏輯部分采用的半導(dǎo)體技術(shù)不同，使得兩者更合適在不同芯片上實(shí)現(xiàn)，但片上DRAM卻越來(lái)越普及了。此外，DRAM的更高容量迫使設(shè)計(jì)師將DRAM拿到處理器芯片之外。這樣，設(shè)計(jì)師可以自由選擇存儲(chǔ)器的容量，或者由最終用戶來(lái)增加存儲(chǔ)器。

嵌入式設(shè)計(jì)師在選擇DRAM時(shí)會(huì)面臨許多其它方面的挑戰(zhàn)，這是因?yàn)樗麄兪褂玫奈⑻幚砥饔袕V泛的性能特性，就像DRAM一樣。嵌入式設(shè)計(jì)師還需要考慮產(chǎn)品壽命，而PC用戶喜歡嘗試最新、最大以及每位成本最低的存儲(chǔ)器。虛擬技術(shù)的崛起正推動(dòng)存儲(chǔ)器走向更高密度。正如諺語(yǔ)說(shuō)的那樣：再大的存儲(chǔ)器都不夠用。

低端市場(chǎng)還在采用古老但利用率仍然很高的同步DRAM(SDRAM)，至少在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域是這樣。SDRAM貨源很足并且價(jià)格便宜，目前看來(lái)它最大的優(yōu)勢(shì)是接口要求簡(jiǎn)單。與大量PC系統(tǒng)上使用的DDR2和DDR3相比，SDRAM較慢的速度對(duì)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)是一種優(yōu)勢(shì)，特別是在需要匹配速度相對(duì)慢的處理器的情況下。與DDR2和DDR3相比，容量和效率是SDRAM的弱項(xiàng)。

微處理器設(shè)計(jì)師遇到的另一個(gè)問(wèn)題是速度。提高速度上限通常意味著同時(shí)提高速度的下限。在使用ADM、Intel和VIA等公司提供的最新x86 GHz多內(nèi)核處理器時(shí)，這樣做沒(méi)有什么問(wèn)題，但在試圖支持200MHz處理器時(shí)就會(huì)有問(wèn)題。

當(dāng)然，處理器時(shí)鐘頻率的提高將伴隨著成本和功耗要求的相應(yīng)提高，而這兩個(gè)指標(biāo)顯然不是我們想要的。幾乎所有微控制器都能處理SDRAM，還有些能處理DDR2，但很少能處理DDR3那樣高的速度。

DDR2是目前最常用的器件，它被廣泛用于服務(wù)器、PC和筆記本電腦，但這些系統(tǒng)正在快速轉(zhuǎn)向DDR3。誠(chéng)然，DDR2在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍將是嵌入式系統(tǒng)的最愛(ài)，即使出貨量開(kāi)始下降，價(jià)格開(kāi)始攀升。這種變化不會(huì)很快，但方向不會(huì)改變。嵌入式市場(chǎng)的挑戰(zhàn)在于滿足低端微控制器的DDR2性能要求。

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三星公司最新的16GB DDR3存儲(chǔ)器的應(yīng)用目標(biāo)是只支持DDR3存儲(chǔ)器的服務(wù)器主板(圖2)。當(dāng)使用這些新模塊時(shí)，服務(wù)器主板可以使用容量高達(dá)192GB、傳輸速率高達(dá)1,333Mbps、功耗卻比DDR2少了60%的DDR3存儲(chǔ)器。大多數(shù)高端主板安裝有能夠處理DDR2或DDR3的芯片組，只支持DDR3的芯片組通常面積更小也更高效。

 

 

圖2：三星的DDR3存儲(chǔ)器模組的容量高達(dá)16GB，傳輸速率達(dá)到1,333Mbps。

 

與現(xiàn)有的DRAM技術(shù)相比，Innovative Silicon公司最新的Z-RAM單晶體管存儲(chǔ)器技術(shù)被認(rèn)為更具有可擴(kuò)展性，并且更具面積效率。Hynix(海力士)和AMD已經(jīng)獲得了Z-RAM技術(shù)的許可，但應(yīng)用目標(biāo)不同。海力士將這一技術(shù)應(yīng)用于主打存儲(chǔ)器產(chǎn)品，而AMD用于大容量片上三級(jí)緩存。Z-RAM可能還有一兩年才能量產(chǎn)，但推出后的市場(chǎng)影響力將非常巨大。

最新出現(xiàn)的一種接口是串行端口存儲(chǔ)器。這是一種連接存儲(chǔ)器的高速串行接口，由串行端口存儲(chǔ)器技術(shù)工作小組發(fā)起推薦。理論上這種接口可以將存儲(chǔ)器所需的引腳數(shù)量減少40%，并能提供3.2至12.6GBps的吞吐量。這種接口最初是設(shè)計(jì)用于多媒體移動(dòng)設(shè)備，因而面積和空間非常寶貴，且功耗必須達(dá)到最小。

大容量存儲(chǔ)設(shè)備

 

SSD是大容量存儲(chǔ)解決方案的一部分。正是它們淘汰了1英寸硬盤(pán)市場(chǎng)，并且在1.8英寸、2.5英寸甚至3.5英寸市場(chǎng)中的份額也越來(lái)越大。SSD在外形尺寸解決方案中也盡占優(yōu)勢(shì)，并不遵循普通的硬盤(pán)配置，這是因?yàn)镾SD可以很容易放在電路板上，而硬盤(pán)卻難以做到這一點(diǎn)。

 

盡管如此，當(dāng)容量達(dá)到上限時(shí)，硬盤(pán)仍勝過(guò)SSD。從價(jià)格/千兆位的角度看，硬盤(pán)也是贏家。使用SSD而不使用硬盤(pán)的界限在不斷移動(dòng)，但這僅僅意味著設(shè)計(jì)師和用戶會(huì)有更多的選擇。

 

1.8英寸硬盤(pán)最愛(ài)移動(dòng)設(shè)備青睞，因此消費(fèi)者很難對(duì)閃存和硬盤(pán)作出選擇。但對(duì)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)比較容易，因?yàn)檫@種尺寸的SSD和硬盤(pán)非常多(不過(guò)價(jià)格和容量的折衷仍然存在)。

 

2.5英寸市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)最激烈，其中包括了像富士通500GB Handy Drive這樣的外置硬盤(pán)(圖8)。這個(gè)容量在不久前還是3.5英寸硬盤(pán)的上限。

 

 

 

由于大量硬盤(pán)能夠很容易裝入1U機(jī)架，所以外形尺寸也對(duì)服務(wù)器設(shè)計(jì)有著顯著影響。更重要的是，數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了針對(duì)RAID配置的最小值，導(dǎo)致這種控制器市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速。八驅(qū)RAID系統(tǒng)不再是新奇的事物，而是成為標(biāo)準(zhǔn)選件，在高端存儲(chǔ)系統(tǒng)中硬盤(pán)數(shù)量還會(huì)更大。

 

2.5英寸硬盤(pán)的容量仍然無(wú)法與3.5英寸硬盤(pán)相比，但對(duì)RAID系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尺寸并不重要，更小硬盤(pán)配置下的系統(tǒng)重構(gòu)時(shí)間會(huì)更短。

 

不要忽視3.5英寸市場(chǎng)。像希捷的Barracuda LP等硬盤(pán)可以提供2TB的存儲(chǔ)容量，非常適合數(shù)字視頻錄像機(jī)中的視頻存儲(chǔ)(圖9)。如果電影公司認(rèn)識(shí)到使用如此大存儲(chǔ)容量帶來(lái)的機(jī)會(huì)，3.5英寸硬盤(pán)市場(chǎng)定將十分火爆。

 

 

 

RAID仍在使用3.5英寸硬盤(pán)，特別是消費(fèi)類應(yīng)用。然而，使這種配置對(duì)用戶不是很重要。很容易向消費(fèi)者解釋為何要增加更多的存儲(chǔ)容量，或借助RAID減少容量以提高可靠性。理解RAID 1和RAID 5之間的區(qū)別則完全是另一碼事。

 

閃存的未來(lái)

 

目前最知名的存儲(chǔ)器技術(shù)是閃存，其實(shí)現(xiàn)方式有很多。大多數(shù)獨(dú)立閃存產(chǎn)品使用的閃存器密度，通常要比微控制器中使用的閃存器密度高，這是因?yàn)檫@種閃存必須采用與邏輯電路相同的工藝實(shí)現(xiàn)。

 

獨(dú)立閃存也有多種格式，從芯片到抽取式設(shè)備格式，如CF卡、SD/XD、MiniSD、MicroSD、記憶棒，當(dāng)然還有USB閃存盤(pán)。這些器件的大多數(shù)都被嵌入式設(shè)備采用，這推動(dòng)了更加堅(jiān)固的工業(yè)版本產(chǎn)品的問(wèn)世，如WinSystems公司的16GB工業(yè)級(jí)CF卡(圖5)。這種CF卡采用雙通道操作方式，支持高達(dá)40MBps的持續(xù)讀取速度，采用交叉方式的寫(xiě)入速度也高達(dá)30MBps。

 

 

 

對(duì)于嵌入式應(yīng)用來(lái)說(shuō)還有更多存儲(chǔ)器選擇。插入集成式驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備(IDE)接頭的模塊已經(jīng)成為硬盤(pán)的常見(jiàn)替代品。最初這些閃盤(pán)的容量都很低，但它們的發(fā)展非常迅速。如今這些設(shè)備已經(jīng)從用于啟動(dòng)發(fā)展到成為許多設(shè)備中硬盤(pán)的替代品。

 

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西部數(shù)據(jù)固態(tài)存儲(chǔ)器公司(前身是Silicons Systems公司)提供采用小外形尺寸(SFF)SIG Silicon Blade外形尺寸的閃存驅(qū)動(dòng)。該公司的Silicon Drive Blade具有鎖存功能且堅(jiān)固耐用，可替代西部數(shù)據(jù)推出的10引腳模塊(圖6)。

 

 

 

與其它技術(shù)相比，外形尺寸對(duì)于選擇閃存并不重要。NAND還是NOR SLC還是MLC？這些技術(shù)的選擇往往使設(shè)計(jì)師必須進(jìn)行折衷。沒(méi)有一種方案可以滿足所有應(yīng)用要求。事實(shí)上，一些要求較苛格的應(yīng)用經(jīng)常使用多種技術(shù)。

 

通過(guò)東芝公司的一些通用規(guī)范可以更好地了解這些折衷。例如，NAND的擦除速度是2ms，而NOR是900ms。另一方面，NOR的容量是NAND的4倍，達(dá)到256Mb，而且還在增加。當(dāng)時(shí)鐘速率為103Mbps時(shí)，NOR的讀取速度比至少NAND快4倍，但NOR的寫(xiě)入速度只有0.5Mbps，而SLC NAND可達(dá)8Mbps。

 

對(duì)SLC和MLC的折衷也類似。MLC具有更高的密度，但寫(xiě)入壽命明顯要短得多。所有閃存技術(shù)都有其局限性，這使得MRAM和FRAM等替代品有了用武之地。如果這些技術(shù)在相同的價(jià)格條件下可以接近或超過(guò)閃存的容量，那么存儲(chǔ)器市場(chǎng)的局面可能發(fā)生重大的改變。遺憾的是，這在近期不太可能現(xiàn)實(shí)。

 

這意味著控制器是采用這種方法的代表(圖7)。這種控制器專門(mén)針對(duì)MLC閃存設(shè)計(jì)，可以提供至少5年的壽命，隨機(jī)讀/寫(xiě)的吞吐量在30k IOPS(I/O每秒)數(shù)量級(jí)，順序讀/寫(xiě)操作的吞吐量可達(dá)250MBps，相當(dāng)于5k IOPS/W，而硬盤(pán)只有20 IOPS/W。

 

 

 

SandForce公司采用的DuraClass技術(shù)同樣實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立硅單元冗余陣列(RAISE)，本質(zhì)上是使用芯片的RAID。這種技術(shù)再加上先進(jìn)的動(dòng)態(tài)磨損均衡和先進(jìn)的糾錯(cuò)編碼(ECC)，SandForce的固態(tài)驅(qū)動(dòng)器(SSD)可以完全達(dá)到企業(yè)存儲(chǔ)提出的壽命和性能要求。

 

其它技術(shù)很難達(dá)到這個(gè)水平，除非采用相似的方法規(guī)避MLC閃存的局限性。例如，為保證5年的使用壽命，許多替代技術(shù)強(qiáng)制規(guī)定每天最多的寫(xiě)入次數(shù)。SandForce可以用一個(gè)512GB、1.8英寸的SSD實(shí)現(xiàn)單芯片控制器解決方案。

 

 

保持互連性

 

如果不提一下日益提高的互連重要性，那么任何討論存儲(chǔ)器的內(nèi)容都是不完整的。對(duì)于面向消費(fèi)者的產(chǎn)品和廣泛的嵌入式應(yīng)用而言，這意味著USB和SATA。對(duì)硬盤(pán)來(lái)說(shuō)USB是一種間接接口，對(duì)閃盤(pán)來(lái)說(shuō)很可能是一種直接接口。

 

包括硬盤(pán)在內(nèi)的許多產(chǎn)品使用外部SATA或eSATA，但它與USB的關(guān)系是互補(bǔ)而不是替代。USB 3.0可以滿足更高吞吐量的硬盤(pán)要求，但就目前而言，高速USB 2.0的480Mbps傳輸速率已經(jīng)足夠了。

 

SAS和光纖通道將出現(xiàn)在企業(yè)級(jí)應(yīng)用中。光纖通道系統(tǒng)通常采用SATA或SAS硬盤(pán)，并且有可能或最終轉(zhuǎn)為SSD。

 

存儲(chǔ)器的選擇從未如此之多，而作出正確的選擇卻非易事，因?yàn)橛泻芏嗵娲桨浮?/p>

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作者：tee