NV和NVM存储器的未来发展趋势 - 通信/网络 - 电子工程师俱

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每一个处理器都需要存储器。一些系统可能只采用一种存储器，但更常见的情况是采用一种分层式存储系统，如服务器的RAID存储系统（图1）。每种存储器都为系统做出不同的贡献，如大容量、快速存取、或非易失性。


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2009-12-10 15:43:24 上传
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随着新技术的出现以及现有技术的改善，这一存储器组合也在发生变化。以前闻所未闻的现在已成标配。例如，上网本现只配备固态存储器，由于固态存储器的功耗更低，因此上网本具有更长的电池寿命。

对更大容量存储器的诉求要求进行权衡取舍和采用不同的实现方法。例如，多级单元(MLC)闪存能提供比单级单元(SLC)闪存更大的容量，但代价是性能和硬件寿命。

同样，硬盘尺寸正在减小。2.5英寸硬盘与老式、全高度的5.25英寸硬盘相比是一个巨大的进步，而且2.5英寸硬盘的容量更大、响应速度也更快。为了提供更可靠的存储，RAID也获得了更广泛使用。

<strong>不要忘记RAM</strong>

RAM是商业计算设备的中心。目前，通常是易失性存储器SRAM和DRAM在取代非易失性的磁芯存储器。不过，像铁电存储器(FeRAM)和磁性RAM(MRAM)等新的非易失性存储技术有望改变这一局面。

独.立SRAM芯片仍在使用，但大多数SRAM通常已集成到微控制器芯片上，提供从文件寄存器到多级缓存的不同功能。SRAM的主要优势是高性能，但其不足是芯片面积很大.和功耗较高。

DRAM 使事情变得更有趣。片上DRAM 正变得越来越常见，虽然实现DRAM和逻辑的不同半导体技术倾向于把DRAM 和逻辑做成两个独立芯片。另外，DRAM的更高容量使设计师倾向于把DRAM拿到处理器芯片之外。其结果是，设计师可以选择提供多大容量，或者最终用户甚至可以添加自己的存储器。

嵌入式设计师在选择DRAM时会面临很多其它挑战，这是因为所使用的微处理器在性能特点上有很大的差异，如同DRAM一样。嵌入式设计师还需要考虑产品生命周期，因为PC用户在选择存储器时，倾向于追求最新的、最好的、以及每位成本最低的存储器。虚拟化的趋势正在推动对更高密度存储器的需求，从而兑现了那句格言：存储器永远不够用。

SDRAM在低端应用中得到了广泛的采用，至少在嵌入式应用中。SDRAM一直货源充足和价格低廉，目前它的一个主要优点是简单的接口要求。与今天大量PC系统使用的DDR2和DDR3存储器相比，SDRAM较慢的速度对设计师而言是一种优势，特别是当试图与较慢的处理器匹配时。与DDR2和DDR3相比，SDRAM的两大不足之处是容量和效率。

微处理器设计师正碰到的另一个问题是速度。提升速度上限通常意味着同时提升了下限。当与AMD、英特尔和威盛(VIA)等开发的最新x86 GHz多核处理器搭配时，这不是个问题，但当试图支持200MHz处理器时，问题就来了。

当然，可以提升处理器时钟，但这相应地会增加成本和功耗。而这二个指标绝对是我们千方百计要竭力降低的。几乎所有的微控制器(MCU)都可以搭配SDRAM。有些MCU可以搭配DDR2，但很少的MCU能够应付DDR3的高速度。

DDR2 目前的需求最旺。它广泛应用于服务器、PC和笔记本电脑，但这些产品正在迅速转向DDR3。在今后一个时期内，尽管DDR2的供应量开始下降和价格开始攀升，但DDR2仍将受到嵌入式系统的宠爱。这不会一夜之间发生，但这是发展趋势。嵌入式市场的挑战是如何让低端MCU满足DDR2的性能要求。

三星新推出的16GB DDR3主要针对服务器主板，它通常设计成只支持DDR3存储器（图2）。当使用这些新模块时，服务器主板可以支持192GB容量的DDR3，传输速率可达1333 Mbps，且功耗比DDR2减少了60％。许多高端主板拥有能同时支持DDR2或DDR3的芯片组。仅支持DDR3的芯片组通常更小和更高效。


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Innovative Silicon正在开发之中的Z-RAM单晶体管存储技术比现有的DRAM技术具有更好的扩展性和更小的芯片面积。Hynix和AMD公司都已经获得了使用Z-RAM技术的授权，但它们的应用目标不同。Hynix可能将其集成进它的主要存储器中，而AMD希望将它用作大容量片上L3缓存。Z-RAM可能不会在一年左右的时间内面世，但当它出现时，将会对市场产生显著影响。

串口存储器也正在开发之中，它的设计目的是将高速串行接口引入到存储器。理论上，它将能把存储器所需的引脚数减少40％，以及提供3.2至12.6GBps的吞吐量。它最初的应用目标是多媒体移动设备，这类应用的PCB空间非常紧张，而且要求功耗必须尽量低。

<strong>NV固态存储器</strong>

DRAM是易失性的，但非易失性(NV)存储器永远是系统解决方案的一部分。近年来，非易失性固态存储器已经发生了巨大的变化，容量在提升，成本在下降。目前，很多非易失性存储器已得到普遍应用，从闪存到MRAM再到FRAM。

ROM是众所周知的非易失性存储技术，在标准微控制器中更受青睐。由于ROM是最高效的非易失性存储技术，因此它一直在定制芯片中占有一席之地。遗憾的是，ROM中的内容不能像在本文中论及的其他非易失存储技术那样被改变。

ROM 应用的一个例子是Luminary Micro的LM3S9000微控制器，它具有提供StellarisWare库服务的运行时库。它与典型的基于ROM的定制微控制器不同，后者包含整个应用。在Luminary Micro的MCU中，使用ROM代码的主应用被存放在使用另一种非易失性存储器中。该ROM可能只包含引导代码，它允许主应用代码来自不同的源，包括来自网络。

闪存可覆盖到很多种解决方案。FRAM与MRAM具有类似特性，它们的前景非常光明，目前主要用于重要的缝隙应用中。

这些非易失性存储器可有效地取代SRAM，因为它们具有与SRAM一样的工作速度，而且它们没有闪存面临的写次数限制问题。这使得它们能用作初级和次级存储器。它们的容量在增大，成本在下降，尽管仍落后于SRAM和闪存。这导致了一些有趣的组合，如前面提到的RAID控制器。


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FeRAM 供应商Ramtron推出的基于8051的VRS51L3x.x.x微控制器系列整合了64kB闪存、4kB SRAM和高达8kB的FeRAM（图3）。闪存用于存储程序代码和长期使用的、改变频率不大的数据，SRAM和FeRAM用于存储读/写数据，其中 FeRAM用于存储要求非易失性的数据。

FeRAM和MRAM还推出了可取代SRAM和闪存的引脚兼容性型号。 Everspin的MR2Axx MRAM产品线与标准的8和16位SRAM器件管脚兼容。这些器件还提供具有35ns读/写速度和扩展工业温度范围的BGA封装。Everspin高达 512kB MRAM器件已应用于Emerson Network Power公司的基于飞思卡尔MPC864xD的MVME7100单板计算机中（图4）。预计Everspin今年底还将推出16Mb MRAM和汽车级的MRAM器件。


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Numonyx的相变存储器(PCM)也即将推出。与Z-RAM一样，它也必须挑战现有的品牌技术。但它一旦推出来，它的性能和可扩展性优势有望使得其它竞争技术相形见绌。但它还需要几年时间才能出来，因此让我们密切保持关注吧。

<strong>闪存的未来</strong>

闪存是目前的成熟技术。大多数独立闪存产品内的闪存具有比集成在MCU内的闪存更高的密度，这是因为集成在MCU中的闪存必须采用与实现逻辑电路相同的工艺。

独立闪存也有不同的格式，从芯片到可接拆设备，诸如CF卡、SD/XD、MiniSD、MicroSD、记忆棒和USB盘。其中这些产品已用在嵌入式应用中，如WinSystems的16 GB工业级CF卡（图5）。它的双通道操作支持40MBps的持续读传输速率和30MBps的写操作速率。


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嵌入式应用还有更多的选择。可插入到IDE标识头的模块对硬盘来说是一个常见替代。最初，这些闪存的容量很小。不过，现在其容量已大大增加，从而使得这些闪存在许多应用中不仅能用于引导代码存储，而且还能完全替代硬盘。

Western Digital Solid State Storage(前身是Silicon Systems)是采用Small Form Factor (SFF) SIG Silicon Blade外形因子的闪存硬盘供应商。其Silicon Drive Blade具有锁存功能且坚固耐用，是Western Digital Solid State Storage推出的10脚模块的替代品（图6）。它有多种供应渠道，可插入大多数PC主板上的10脚标识头中。


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相比其它技术选择，闪存外形在决策时往往不是很重要。是NAND，还是NOR？是SLC，还是MLC？这些技术抉择使设计师必须面临一系列取舍权衡。没有一种产品能满足所有应用需求。事实上，在一些更苛刻的应用中，要采用多种闪存技术。

我们可从东芝产品的一些常用指标了解设计师必须做出哪些权衡。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，可达到256 Mb，且还在不断提升。当采用103MBps时钟时，NOR的读速率至少是NAND的4倍。但NOR的写速率在0.5MBps水平，而SLC NAND的是8MBps。

SLC和MLC具有相似的权衡取舍。MLC具有更高密度，但写次数要少得多。所有闪存技术都有局限性，这使得MRAM和FRAM等替代技术很抢.手。若MRAM和FRAM技术能以类似的价格提供接近或超过闪存的容量，那么存储器市场的版图将显著改观。遗憾的是，这不太可能在短期内出现。

这意味着损耗均衡技术正变得越来越重要，特别是考虑到MLC技术在这方面的局限，以及其明显更大的容量。硬盘更换的目标期限是5年。虽然这对企业级方案足够长了，但对生命周期更长的嵌入式应用来说，未必合适。这意味着设计人员必须要比以往留意更多的规格。

SandForce 的SF-1500 SSD控制器专为MLC闪存所设计（图7），它可提供至少5年使用寿命、30k IOPS(每秒输入/输出数)的随机读/写速率、以及250MBps的连续读/写操作速率。对硬盘来说，它相当于5k IOPS/W与20 IOPS/W之比。


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SandForce采用的DuraClass技术也应用了独立硅部件冗余阵列（RAISE），本质上是带芯片的RAID。它与先进的动态损耗均衡和先进的纠错编码(ECC)支持相结合，允许SandForce支持的固态硬盘(SSD)达到企业级存储对性能和寿命的要求。

替代技术将很难满足这些要求，除非采取类似的方法来规避MLC闪存的局限性。例如，为保证5年使用寿命，许多替代技术强制规定了每天最多的写次数。SandForce可在512GB、1.8英寸SSD内支持单片控制器方案。

<strong>海量存储器</strong>

SSD是海量存储解决方案的一种。SSD已经消灭了1英寸硬盘市场，并正在逐步增加其在1.8英寸、2.5 英寸甚至3.5英寸硬盘市场的份额。在外形方面，SSD也有很大差异性，它们不遵循常规的硬盘配置。这也是为什么SSD可很容易地放在电路板上，而硬盘却难以做到这一点。

尽管如此，在所能达到的最大容量方面，SSD仍不及硬盘。从价格/千兆字节的角度，硬盘也是赢家。SSD取代硬盘的转换点在不停移动，但这只是简单地意味着设计人员和用户可拥有更多选择。

1.8英寸硬盘最受移动设备青睐。也正是在这里，消费者对闪存和硬盘之间的选择变得更困难。虽然对设计师来说，这很容易，因为SSD和硬盘都可提供这种外形。（但价格和容量间的权衡依然存在。）

大多数动作发生在2.5英寸领域。它包括像富士通的500GB Handy Drive那样的外接硬盘（图8）。在几个月以前，该容量还是3.5英寸硬盘的容量上限。


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由于大量硬盘可容易地安装在1U机架内，因此外形因子也已经显著影响了服务器的设计。更重要的是，该数量大大超过了RAID配置的最低要求，从而促成了该控制器市场的增长。一个八驱动RAID系统已不再新奇。相反，它已成为一个标准选择，而在高端存储系统，甚至出现了更多驱动器。

与3.5英寸硬盘的容量比，2.5英寸仍是小巫见大巫。但对RAID系统来说，个头大小并非一切，因对较小硬盘配置来说，其系统重建次数要更少。

不要忽略3.5英寸市场。像希捷的Barracuda LP硬盘就具有2TB的容量，它着眼的是满足数字录像机对视频存储的容量需求（图9）。如果电影公司认可这种越来越大的存储能力能给他们带来机会，则 3.5英寸硬盘市场将会非常火爆。若果如此，3.5英寸硬盘很可能供不应求。


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RAID 将继续与3.5硬盘一起发挥作用，特别是在消费电子应用。但是，使用户不了解这点很重要。可以很容易地解释为什么要为消费者提供更大存储容量，甚至也能说得通为什么要借助RAID减小容量、以改善可靠性。但要理解RAID 1和RAID 5的区别则是完全不同的另一码事。

<strong>保持互联性</strong>

若不提及互联日益增长的重要性，则对存储器的任何描述都是不完整的。对于以消费者为中心的产品和多种嵌入式应用来说，这意味着USB和SATA。USB是硬盘的间接接口，并有可能成为闪存驱动器的直接接口。

外接SATA或eSATA迅速出现在包括外接驱动器在内的许多产品中，但它将是补充而不是取代USB。USB 3.0将及时出现以满足更高吞吐率驱动器的需求。尽管目前而言，高速USB 2.0以其480 Mbps的传输速率足以满足要求。

SAS和Fibre Channel(光纤通道)将出现在企业级存储市场。光纤通道系统往往包括SATA或SAS硬盘，且有可能或更可说最终也将把SSD包含在内。

就存储来说，比以往任何时候都有更多的选择，但做出选择并非易事，因为存在多种替代方案。

作者：William Wong