從嵌入式應用看存儲器的技術發(fā)展趨勢
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| 針對嵌入式應用 看市面存儲器的技術發(fā)展趨勢 | ||
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| 存儲器是整個嵌入式系統(tǒng)中最重要的一個媒體，不但肩負有指令緩沖的責任，也同時兼具儲存、管理、甚至是加速等作用，依照存儲器種類的區(qū)分，利用不同的設計與實作方式，來決定其不同的使用目的。 在加速資料處理方面，從大家耳熟能詳的SRAM、1T-SRAM到PSRAM、eDRAM等，分別都使用了不同的技術來達到符合特定應用的目的，而為了SoC/SiP的儲存需求，內嵌快閃存儲器也成了降低設計成本、降低體積的絕妙方式。 ■老而彌堅 腳步陳穩(wěn)的SRAM SRAM，即一般的4T、6T SRAM，是傳統(tǒng)處理芯片應用中最廣泛的一種，目前以6T SRAM為主流，6T代表其設計是由6個元件組成。 雖然SRAM必須使用大量晶體管來建構，連帶使得成本增加，但是其超高的效能表現，以及可接受的耗電量，卻也讓大老板們舍的花下巨額成本來將SRAM使用到產品架構中。
SRAM的技術發(fā)展在近幾年來有很大的轉變，針對其應用范疇，從高性能處理器產品，慢慢走向網絡通訊零組件以及針對低耗電的便攜式嵌入式產品。目前將近有8成的SRAM產品被應用在手持式通訊裝置以及網絡產品中，然而有眾多廠商研發(fā)出許多不同的替代型DRAM技術，在效能表現以及成本方面已有迎頭趕上的趨勢。 由于傳統(tǒng)SRAM在容量提升上的難度較高，且其過高的成本，也不利于占其最大應用的手持式通訊裝置的發(fā)展，因此除了需要不同的技術引進，也要在本身的技術上做出變化，比如說，將手機專用的低耗電SRAM與NOR FLASH，利用多芯片封裝技術（MCP）封裝成單一個堆疊式存儲器芯片，達到同時兼具高速傳輸與大容量儲存的目的。 而在網通產品方面，大多直接將SRAM原本架構直接搬上去，因為網通產品有持續(xù)的穩(wěn)定電源供應，較不需擔心耗電量的問題。 ■根據應用而使用不同類型設計的SRAM SRAM將每個位元的資料儲存于以2個交錯配對反向器（Cross-Coupled inverters）形式存在的4個晶體管中，藉由這2個穩(wěn)定的狀態(tài)來表示位元中的0與1，而另外2個附加的存取晶體，則是用來控制儲存細胞的讀寫操作。目前主流的6T SRAM都是以這樣的形式來設計。而除了應用在高速處理器、網通產品以外的高速存取需求，其不需刷新的特色，也比傳統(tǒng)SDRAM架構更適用于低電力需求的小容量儲存方案。 ■SRAM的未來發(fā)展方向 傳統(tǒng)管線突發(fā)式SRAM在90年代被大量應用在主機板上，由于針對高速緩沖需求，所以在匯流排的利用上，就必須盡量在特定周期內讓資料流保持在同一個方向，隨著時間過去，這樣的設計方式已經不敷使用，因此較新型的ZBT（零匯流排轉換） SRAM也隨之應運而生，這種SRAM由于具有相同的讀寫管線長度，且讀和寫之間的Latency是零，因此在特定應用上有不錯的表現。 但是ZBT SRAM有時脈上的限制，超過限定的時脈會產生匯流排沖突現象，因此就必須加入相對應的等待狀態(tài)。在考慮到匯流排與資料流的最佳化后，SRAM也導入了在DRAM技術上常見的DDR及QDR等技術，藉由改變匯流排傳輸速率以及傳輸位元的數目，取得效能的增長。 過去由于SRAM在界面上的設計簡單，讀寫速度快，及低耗電的特性，因此被廣泛的應用在各種儲存裝置（硬碟機、燒錄機等）及手持式音樂裝置（如以往的CD隨身聽、MD等），近年來則轉向手持式通訊裝置以及網通硬件。 而在未來的發(fā)展方向上，就目前所看到的計畫，SRAM本身的基本架構變動不大，最主要還是集中在匯流排的架構以及外部控制電路的設計，技術的研發(fā)并非一蹴可幾，而在SRAM這種高成熟度的產業(yè)中，也很難做出很大的突破。 就目前而言，比較大的變動有IBM計畫將6個晶體管的設計增加為8個晶體管，以加強抗雜訊的能力，并針對高效能需求應用來設計的方案出現，但是其高昂的成本，卻限制住了該產品的應用廣度。目前各大SRAM廠商都朝著減少SRAM的漏電電流，并加強SRAM的省電能力方向邁進，以期提升SRAM的競爭力。 ■朝高速化低耗電發(fā)展 SRAM替代品紛紛出籠 這類存儲器技術走向，目前是以相同的1T SRAM為技術基礎最為熱門。雖然其名稱有個SRAM，不過卻是界面采用SRAM，內部采用DRAM制程技術的混種技術，1T SRAM有效的利用DRAM單晶體單電容架構來研發(fā)出效能類似于SRAM的產品，由于成本較低，且芯片面積小，有利于大幅的擴充容量。 1T SRAM過去曾被大幅應用在任天堂的GAMECUBE中，繪圖芯片與主存儲器，利用其低耗電與高效能的特性，讓該游戲主機的畫面水平得以發(fā)揮到相當高的程度。而次世代主機Wii也將繼續(xù)沿用1T SRAM的存儲器架構，這對于主機成本的控管以及效能的平衡上，有相當大的幫助。 以目前來說，我們可以在市場上見到諸如PSRAM（Pseudo SRAM）、CellularRAM、LP-SDRAM（Low Power SDRAM）等訴求高速低耗電存儲器，就以PSRAM來說，其目標市場就是針對低耗電手持式裝置市場而來，對于手機研發(fā)廠商來說，藉助于PSRAM只需普通SRAM幾分之一大小的晶粒，即可取得相等容量表現的特性，對于目前手機的小型化有莫大的幫助，因此大部分的手機研發(fā)廠商都已經向PSRAM靠攏。 目前PSRAM陣營包括了由柏士半導體（Cypress）、英飛凌（Infineon）、美光（Micron）、日本瑞薩科技（Renesas）合組的CellularRAM聯(lián)盟；由恩益禧（NEC）、富士通、東芝等日系業(yè)者合組的CosmoRAM聯(lián)盟主要也是針對行動裝置應用的PSRAM架構陣營，不過由于其接腳及一些定義上與CellularRAM不兼容，所以一般較少見到其應用；以及韓國二大存儲器廠三星及Hynix合組的PSRAM聯(lián)盟。諸如華邦、力晶、南亞科及茂德等臺灣存儲器廠商，多集中在CellularRAM這個陣營，如力晶與瑞薩合作，南亞科、華邦與英飛凌合作，茂德則是與柏士半導體合作（在PSRAM方面）。目前也已經有容量高達256Mbit的PSRAM產品出現。 在MCP（多芯片封裝）市場上（以智能型手持裝置及多媒體播放裝置居多）除了較早期的SRAM、目前熱門的PSRAM以外，針對行動裝置所發(fā)展的Low Power SDRAM，也以其低人一等的成本為訴求，在MCP市場中逐漸占有一席之地。 目前MCP的架構主要有兩種，一種是采用NOR-PSRAM-NAND的高效率架構，而另一種則是NAND-LPSDRAM的平價方案，采用LPSDRAM的平價方式，雖然效能可能比SRAM或PSRAM的方案低一點，但是可以大幅提升裝置的儲存容量，且同時降低生產的成本。 不過，DRAM雖然理論上可藉由各種技術加強來達到相近于甚至超越SRAM性能的表現，但是如此一來，在價格方面勢必也將與SRAM平起平坐，甚至超越，對于DRAM架構的加強版應用來說，其低廉價格，生產過程的簡易（利用現有的DRAM制程即可），及在合理成本范圍內可接受的效能表現。雖然短時間內DRAM尚無法完全取代SRAM的效能以及市場，但是以DRAM技術進展速度的神速，未來也不無取代SRAM的可能。 ■結合存儲器與芯片 eDRAM往高階應用邁進 將存儲器內嵌至芯片中也是另一個相當普遍的應用方式。在SOC與SIP相關產品發(fā)展至今，嵌入式存儲器早已經不是什么新鮮的玩意，嵌入式存儲器早已經不是什么新鮮的玩意，對于芯片設計廠商來說，存儲器的嵌入，除了考量到整個系統(tǒng)架構的簡潔以外，也必須從效能以及成本來做考量。 傳統(tǒng)嵌入式SRAM的應用已經相當悠久，其中以處理器在SRAM的嵌入更是具有指標性的意義，對于處理器來說，由于在存取指令時，必須與緩慢的主存儲器做溝通，雖然處理器內部的暫存器速度很快，但是處理器的匯流排有其限制，局限于匯流排的寬度，勢必無法與主存儲器做及時的資料處理與交換，就拿Intel的處理器來說，由于其前端匯流排的效能非常貧弱，且存取限制非常多，因此Intel系列處理器往往都會配備大容量的二級快取存儲器，并配合相對的指令或資料Prefetch機制，讓這些二級快取作為處理器與主存儲器之間的緩沖，以達成理想的整體效能。
而將SRAM改成DRAM，作為嵌入式應用，eDRAM能帶給芯片怎樣的好處？首先，DRAM所占用的晶體管數目少，因此相同的面積，eDRAM可以達到較高的容量。其次，由于存儲器位于處理器內部，所以連接的bus寬度可以做的非常寬，在芯片階段做大bus頻寬有個好處，那就是不會有外部接線的困擾，如果要從外部透過具有巨大寬度的bus連接存儲器，那么芯片對外的接腳數目會變的非常龐大（目前主流顯示存儲器GDDR3的接腳數目就高達1,000個以上），這不僅會導致芯片生產成本提高，連帶的也會導致PCB面積的巨大化。 eDRAM理論上的優(yōu)點有低耗電、高頻寬、小面積的優(yōu)勢，不過其成本關鍵在于制程的精密度，擁有越先進制程的廠商用容易從eDRAM的生產中得到效益。由于eDRAM在生產過程中也會遇到傳統(tǒng)芯片生產的困難，比如說電荷留滯時間、漏電流、以及DRAM儲存細胞的大小，而DRAM本身也需要附加的邏輯電路，因此在與芯片本體作連接整合時，全體芯片的布局也會隨之復雜化。eDRAM在初期設計的高代價，也使其被局限于特定領域的應用，比如說追求巨大銷量的游樂器市場、高階通訊裝備。
存儲器寬度與時脈是對等的，寬度越高，存儲器所輸出的頻寬也越高，而記憶而存儲器時脈拉高也會有同樣的效果，不過兩者通常只能取其一。就拿目前高階顯示卡來說，為了屈就于PCB有限的面積，再不增加布線復雜度的前提之下，就只能配備更時脈更高的存儲器，不論是增加芯片接腳、布線復雜度，或者是采用高時脈存儲器，都會大幅增加生產的成本。 eDRAM最著名的應用案例就是SONY PS2的GS繪圖芯片，內嵌了bus寬度為2560bit的4MB eDRAM，而其分割式bus設計，1024bit作為寫入，1024bit作為讀取，512bit用來執(zhí)行貼圖材質讀取，達成了總頻寬48GB/s的地步。
而在XBOX360繪圖芯片XEON上，也配備了10MB的eDRAM，不過嚴格來說，這10MB的存儲器并不是標準的eDRAM，因為它是采用以電路連接繪圖芯片核心以及獨立的一個10MB存儲器顆粒，而不是直接內建在繪圖芯片內部，不過基本上仍然達到了256GB/s的驚人地步，一點也不輸給直接內建在芯片內部的設計，而分離式的設計也可以有效提升芯片良率。 目前嵌入到芯片內部的存儲器架構大多采用1T SRAM家族，其低耗電量與高效能表現，加上占用芯片面積小，成了其導入的最大優(yōu)勢。不過1T SRAM在控制電路上的復雜性相當高，因此在設計階段的難度相當高。 標準eDRAM也有個相當大的問題，那就是因為它位于芯片內部，所以無法做的太大，做的太大，會導致芯片面積也跟著變大，除了會導致良率下降，隨之而來的成本飛漲也會造成應用上的困擾，因此在設計階段就必須顧慮到實做的困難點，以及在效能與成本之間的平衡考量。
■NOR快閃存儲器？NAND快閃存儲器？混合特性產品引領趨勢 在蘋果發(fā)表了采用大容量快閃存儲器的MP3隨身聽后，一時之間快閃存儲器洛陽紙貴，媒體與市場分析師紛紛指出未來儲存媒體將由快閃存儲器領軍。不過實際上呢，快閃存儲器發(fā)展至今，雖然容量越來越大，價格也越來越平易近人，但是距離全面普及的關鍵點仍有相當長的一段距離。 快閃存儲器的兩大架構—NOR以及NAND，在應用范圍以及技術上的差異，已經被明顯的區(qū)隔開來，由于雙方面的著眼點不同，因此也都有其不同的應用方向。 在針對嵌入式平臺的發(fā)展方面，就一般設計概念來說，NOR由于在小單位資料寫入的效率較高，而且在資料保全方面的功能也較為完整，因此通常都用于程序碼執(zhí)行（XIP）或關鍵系統(tǒng)資料的儲存與執(zhí)行，而具有大量儲存需求，而在資料保全層級需求較低的應用方面，就由便宜又大碗的NAND來執(zhí)行，在大區(qū)塊的寫入動作中，NAND也能占有效能方面的優(yōu)勢。 而近來，采用SRAM/DRAM與快閃存儲器的混合式設計，已經變成兼顧效能與儲存需求的主流設計之一，由于手持式裝置如果要在快閃存儲器上直接執(zhí)行程序碼，會有速度不夠快，及快閃存儲器本身的寫入壽命問題牽制，在實際操作方面，通常會將會資料或程序碼從NOR/NAND快閃存儲器中讀取解壓縮出來到SRAM/SDRAM區(qū)塊中執(zhí)行，以加速程序本身的執(zhí)行效能表現。 NOR與NAND已經是相當成熟／老舊的技術，在應用方面的限制相當多，因此也有不少廠商亟思于將兩者的優(yōu)點結合，創(chuàng)造出統(tǒng)一的快閃存儲器架構。在這方面的領域比較出名的有三星公司的OneNAND以及Spansion公司的OrNAND技術。 OneNAND是結合NAND架構、SRAM以及一個讀取效率可達108Mbps高速匯流排，藉由這樣的結合，除了在讀取效能有著驚人的成長以外，內建了〝DataLight OneBoot〞嵌入式控制軟件，即時監(jiān)控NAND的讀寫區(qū)塊，并可在出現損壞區(qū)塊時，立即加以隱藏，避免因為程序存取到相關區(qū)域，而導致系統(tǒng)崩潰的狀況產生。 而平常的讀寫工作進行時，也會由這個控制軟件來加以最佳化，進而延長NAND儲存區(qū)域的壽命。因此雖然OneNAND雖然仍具有NAND的基本物理特性，但是后天的補足，使其在資料安全性上可與NOR一較高下。 OneNAND也透過內建的SRAM來達到直接在OneNAND上執(zhí)行程序碼的功能，不過由于其內建的SRAM空間有限，因此XIP程序碼的長度會受到限制，不過相較起傳統(tǒng)NAND的完全無法執(zhí)行，已經是相當大的進步。 OneNAND的目標應用相當多，除了在手機、MP3隨身聽以外，也將應用目標指向數碼相機以及數碼電視中。雖然OneNAND容量比NOR大，但小于傳統(tǒng)NAND，由于設計較復雜，成本也會較高。 Spansion公司的OrNAND采用的也是類似的設計方式，采用了第二代的MirrorBit技術，單一個浮動柵極即可表示兩個儲存單元，在儲存的效率上更高，雖然無法進行XIP，但是其4倍于傳統(tǒng)NAND的效能表現，以及高安全性架構、低成本表現，廠商在選擇解決方案時，絕對會將OrNAND擺到傳統(tǒng)NAND的前面去，因此采用OrNAND的唯一顧慮就落在產能了，Spansion在與臺積電積極合作之下，這方面的問題已經獲得良好的解決。
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