存储器新技术应用优势探讨
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随着新技术的不断涌现以及原有技术的改进，存储器组合也在不断发生变化，以前未曾听说的存储器技术现在已经得到普遍使用。例如，上网本已经开始配备固态存储器，这种存储器能满足上网本更低的功耗要求，从而延长上网本的电池寿命。
为获得更大的存储容量，需要采用不同的方法和折衷处理。例如，多层单元(MLC)闪存的容量要比单层单元(SLC)闪存的容量大，但MLC闪存的性能和硬件寿命不如SLC闪存。
与此同时，硬盘尺寸在不断缩小。2.5英寸硬盘与以前的5.25英寸全高硬盘相比迥然不同，而且尺寸更小的硬盘却有着更大的容量和更快的响应速度。业界还在广泛使用RAID提供更可靠的存储，并趋向于采用更小、更灵活的解决方案。
每个处理器都要用到存储器，一些系统可能只需一种类型的存储器，但更多的时候是采用层次化存储器技术，例如带有冗余磁盘阵列(RAID)存储系统的服务器(图1)。每一种存储器，比如高容量存储器、快速存取存储器或非易失性存储器，都能为系统做出不同的贡献。
图1：SAS控制器可能利用多种存储器来满足不同的要求。
非易失性固态存储器
DRAM天生是易失性存储器，但非易失性存储器永远是系统解决方案的一部分。多年来，非易失性固态存储器有了戏剧性的变化，容量在不断上升，成本在不断下降。如今已有许多非易失性固态存储器技术投入实际使用，从闪存到MRAM，再到FRAM等。
只读存储器(ROM)是一种众所周知的非易失性存储器技术，在标准微控制器中更常见。在定制芯片中总有ROM的身影，因为它是最高效的非易失性存储技术。遗憾的是，ROM保存的内容不能像本文讨论的其它非易失性存储技术那样被修改。
采用ROM的一个例子是Luminary Micro公司的LM3S9000微控制器，它的运行时库可以提供StellarisWare库服务。相比之下，基于ROM的典型定制微控制器包含整个应用程序。在Luminary Micro公司的案例中，使用ROM代码的主程序存放在使用另一个非易失性存储器的器件中。这种ROM可能有启动代码，因此允许主程序来自多个源，包括来自网络。
闪存能提供应用范围非常广的解决方案。FRAM和MRAM也有很前途，目前主要用于重要而专业的一些应用中，它们也有类似的特性。
这些非易失性存储器可以有效地替代SRAM，并以SRAM速度工作。然而，非易失性存储器没有闪存的写入寿命问题，因此可以用作初级存储器和次级存储器。非易失性存储器的容量在不断提高，成本在不断下降，但仍落后于SRAM和闪存。这就导致一些有趣的组合，如上文提到的RAID控制器。
FRAM供应商Ramtron公司开发的基于8051的VRS51L31xxx微控制器系列，整合了64kB的闪存、4kB的SRAM和多达8kB的FRAM(图3)。闪存用于程序存储和长期、变化缓慢的数据，SRAM和FRAM用于读/写数据，FRAM则用于处理非易失性事务。
图3:Ramtron公司的VRS51L3xxx微控制器集成了8KB FRAM用于非易失性数据存储。
FRAM和MRAM还可替代SRAM和闪存器件。Everspin公司的MR2Axx MRAM产品线与标准的8位和16位SRAM器件保持引脚兼容。这些器件还提供球栅阵列(BGA)封装、35ns的读/写时间和扩展工业温度版本。Everspin的MRAM已被用于爱默生网络电源公司的基于飞思卡尔MPC864xD的MVME7100单板电脑中(图4)。Everspin今年还推出了16Mb MRAM。
图4：基于Freescale MPC864xD的MVME7100单板计算机采用了Everspin公司的512KB MRAM。
Numonyx公司的相变存储器也即将推出。如同Z-RAM一样，这种存储器也必须战胜已有技术，而它的性能和可扩展性能够确保它一旦推出就占尽优势。虽然这种技术离成熟还要几年时间，但有必要对这种技术保持密切留意。
易失性存储器
随机存取存储器(RAM)是商用计算设备的中心。目前的RAM通常是易失性存储器，包括替代非易失性磁芯存储器的静态RAM(SRAM)和动态RAM(DRAM)等。不过，类似铁电RAM(FRAM)和磁性RAM(MRAM)等新技术有望改变这一局面。
单独的SRAM芯片仍有使用，但大多数SRAM都集成在芯片上，作为微控制器的一部分，提供从寄存器文件到多级缓存等功能。它的主要优点是高性能，缺点是需占用芯片面积且功耗较高。
虽然DRAM和逻辑部分采用的半导体技术不同，使得两者更合适在不同芯片上实现，但片上DRAM却越来越普及了。此外，DRAM的更高容量迫使设计师将DRAM拿到处理器芯片之外。这样，设计师可以自由选择存储器的容量，或者由最终用户来增加存储器。
嵌入式设计师在选择DRAM时会面临许多其它方面的挑战，这是因为他们使用的微处理器有广泛的性能特性，就像DRAM一样。嵌入式设计师还需要考虑产品寿命，而PC用户喜欢尝试最新、最大以及每位成本最低的存储器。虚拟技术的崛起正推动存储器走向更高密度。正如谚语说的那样：再大的存储器都不够用。
低端市场还在采用古老但利用率仍然很高的同步DRAM(SDRAM)，至少在嵌入式应用领域是这样。SDRAM货源很足并且价格便宜，目前看来它最大的优势是接口要求简单。与大量PC系统上使用的DDR2和DDR3相比，SDRAM较慢的速度对设计师来说是一种优势，特别是在需要匹配速度相对慢的处理器的情况下。与DDR2和DDR3相比，容量和效率是SDRAM的弱项。
微处理器设计师遇到的另一个问题是速度。提高速度上限通常意味着同时提高速度的下限。在使用ADM、Intel和VIA等公司提供的最新x86 GHz多内核处理器时，这样做没有什么问题，但在试图支持200MHz处理器时就会有问题。
当然，处理器时钟频率的提高将伴随着成本和功耗要求的相应提高，而这两个指标显然不是我们想要的。几乎所有微控制器都能处理SDRAM，还有些能处理DDR2，但很少能处理DDR3那样高的速度。
DDR2是目前最常用的器件，它被广泛用于服务器、PC和笔记本电脑，但这些系统正在快速转向DDR3。诚然，DDR2在很长一段时间内仍将是嵌入式系统的最爱，即使出货量开始下降，价格开始攀升。这种变化不会很快，但方向不会改变。嵌入式市场的挑战在于满足低端微控制器的DDR2性能要求。
三星公司最新的16GB DDR3存储器的应用目标是只支持DDR3存储器的服务器主板(图2)。当使用这些新模块时，服务器主板可以使用容量高达192GB、传输速率高达1,333Mbps、功耗却比DDR2少了60%的DDR3存储器。大多数高端主板安装有能够处理DDR2或DDR3的芯片组，只支持DDR3的芯片组通常面积更小也更高效。
图2：三星的DDR3存储器模组的容量高达16GB，传输速率达到1,333Mbps。
与现有的DRAM技术相比，Innovative Silicon公司最新的Z-RAM单晶体管存储器技术被认为更具有可扩展性，并且更具面积效率。Hynix(海力士)和AMD已经获得了Z-RAM技术的许可，但应用目标不同。海力士将这一技术应用于主打存储器产品，而AMD用于大容量片上三级缓存。Z-RAM可能还有一两年才能量产，但推出后的市场影响力将非常巨大。
最新出现的一种接口是串行端口存储器。这是一种连接存储器的高速串行接口，由串行端口存储器技术工作小组发起推荐。理论上这种接口可以将存储器所需的引脚数量减少40%，并能提供3.2至12.6GBps的吞吐量。这种接口最初是设计用于多媒体移动设备，因而面积和空间非常宝贵，且功耗必须达到最小。
大容量存储设备
SSD是大容量存储解决方案的一部分。正是它们淘汰了1英寸硬盘市场，并且在1.8英寸、2.5英寸甚至3.5英寸市场中的份额也越来越大。SSD在外形尺寸解决方案中也尽占优势，并不遵循普通的硬盘配置，这是因为SSD可以很容易放在电路板上，而硬盘却难以做到这一点。
尽管如此，当容量达到上限时，硬盘仍胜过SSD。从价格/千兆位的角度看，硬盘也是赢家。使用SSD而不使用硬盘的界限在不断移动，但这仅仅意味着设计师和用户会有更多的选择。
1.8英寸硬盘最爱移动设备青睐，因此消费者很难对闪存和硬盘作出选择。但对设计师来说比较容易，因为这种尺寸的SSD和硬盘非常多(不过价格和容量的折衷仍然存在)。
2.5英寸市场的竞争最激烈，其中包括了像富士通500GB Handy Drive这样的外置硬盘(图8)。这个容量在不久前还是3.5英寸硬盘的上限。
由于大量硬盘能够很容易装入1U机架，所以外形尺寸也对服务器设计有着显著影响。更重要的是，数量远远超过了针对RAID配置的最小值，导致这种控制器市场增长迅速。八驱RAID系统不再是新奇的事物，而是成为标准选件，在高端存储系统中硬盘数量还会更大。
2.5英寸硬盘的容量仍然无法与3.5英寸硬盘相比，但对RAID系统来说尺寸并不重要，更小硬盘配置下的系统重构时间会更短。
不要忽视3.5英寸市场。像希捷的Barracuda LP等硬盘可以提供2TB的存储容量，非常适合数字视频录像机中的视频存储(图9)。如果电影公司认识到使用如此大存储容量带来的机会，3.5英寸硬盘市场定将十分火爆。
RAID仍在使用3.5英寸硬盘，特别是消费类应用。然而，使这种配置对用户不是很重要。很容易向消费者解释为何要增加更多的存储容量，或借助RAID减少容量以提高可靠性。理解RAID 1和RAID 5之间的区别则完全是另一码事。
闪存的未来
目前最知名的存储器技术是闪存，其实现方式有很多。大多数独立闪存产品使用的闪存器密度，通常要比微控制器中使用的闪存器密度高，这是因为这种闪存必须采用与逻辑电路相同的工艺实现。
独立闪存也有多种格式，从芯片到抽取式设备格式，如CF卡、SD/XD、MiniSD、MicroSD、记忆棒，当然还有USB闪存盘。这些器件的大多数都被嵌入式设备采用，这推动了更加坚固的工业版本产品的问世，如WinSystems公司的16GB工业级CF卡(图5)。这种CF卡采用双通道操作方式，支持高达40MBps的持续读取速度，采用交叉方式的写入速度也高达30MBps。
对于嵌入式应用来说还有更多存储器选择。插入集成式驱动电子设备(IDE)接头的模块已经成为硬盘的常见替代品。最初这些闪盘的容量都很低，但它们的发展非常迅速。如今这些设备已经从用于启动发展到成为许多设备中硬盘的替代品。
西部数据固态存储器公司(前身是Silicons Systems公司)提供采用小外形尺寸(SFF)SIG Silicon Blade外形尺寸的闪存驱动。该公司的Silicon Drive Blade具有锁存功能且坚固耐用，可替代西部数据推出的10引脚模块(图6)。
与其它技术相比，外形尺寸对于选择闪存并不重要。NAND还是NOR SLC还是MLC？这些技术的选择往往使设计师必须进行折衷。没有一种方案可以满足所有应用要求。事实上，一些要求较苛格的应用经常使用多种技术。
通过东芝公司的一些通用规范可以更好地了解这些折衷。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，达到256Mb，而且还在增加。当时钟速率为103Mbps时，NOR的读取速度比至少NAND快4倍，但NOR的写入速度只有0.5Mbps，而SLC NAND可达8Mbps。
对SLC和MLC的折衷也类似。MLC具有更高的密度，但写入寿命明显要短得多。所有闪存技术都有其局限性，这使得MRAM和FRAM等替代品有了用武之地。如果这些技术在相同的价格条件下可以接近或超过闪存的容量，那么存储器市场的局面可能发生重大的改变。遗憾的是，这在近期不太可能现实。
这意味着控制器是采用这种方法的代表(图7)。这种控制器专门针对MLC闪存设计，可以提供至少5年的寿命，随机读/写的吞吐量在30k IOPS(I/O每秒)数量级，顺序读/写操作的吞吐量可达250MBps，相当于5k IOPS/W，而硬盘只有20 IOPS/W。
SandForce公司采用的DuraClass技术同样实现了独立硅单元冗余阵列(RAISE)，本质上是使用芯片的RAID。这种技术再加上先进的动态磨损均衡和先进的纠错编码(ECC)，SandForce的固态驱动器(SSD)可以完全达到企业存储提出的寿命和性能要求。
其它技术很难达到这个水平，除非采用相似的方法规避MLC闪存的局限性。例如，为保证5年的使用寿命，许多替代技术强制规定每天最多的写入次数。SandForce可以用一个512GB、1.8英寸的SSD实现单芯片控制器解决方案。
保持互连性
如果不提一下日益提高的互连重要性，那么任何讨论存储器的内容都是不完整的。对于面向消费者的产品和广泛的嵌入式应用而言，这意味着USB和SATA。对硬盘来说USB是一种间接接口，对闪盘来说很可能是一种直接接口。
包括硬盘在内的许多产品使用外部SATA或eSATA，但它与USB的关系是互补而不是替代。USB 3.0可以满足更高吞吐量的硬盘要求，但就目前而言，高速USB 2.0的480Mbps传输速率已经足够了。
SAS和光纤通道将出现在企业级应用中。光纤通道系统通常采用SATA或SAS硬盘，并且有可能或最终转为SSD。
存储器的选择从未如此之多，而作出正确的选择却非易事，因为有很多替代方案。
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