NV和NVM存储器的未来发展趋势

2009年12月10日 15:12    贾延安
关键词: NVM , 存储器 , 发展 , 趋势
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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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。

不要忘记RAM

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。

NV固态存储器

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。

闪存的未来

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。

海量存储器

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。

保持互联性

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
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游客 发表于 2010-3-14 09:25:14
NVM在那说。。离题。回去学好语文再回来
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