從嵌入式應用看存儲器的技術(shù)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(shù)發(fā)展趨勢 | ||
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| 存儲器是整個(gè)嵌入式系統中最重要的一個(gè)媒體，不但肩負有指令緩沖的責任，也同時(shí)兼具儲存、管理、甚至是加速等作用，依照存儲器種類(lèi)的區分，利用不同的設計與實(shí)作方式，來(lái)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(shù)來(lái)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 腳步陳穩的SRAM SRAM，即一般的4T、6T SRAM，是傳統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(gè)元件組成。 雖然SRAM必須使用大量晶體管來(lái)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(lái)將SRAM使用到產(chǎn)品架構中。
SRAM的技術(shù)發(fā)展在近幾年來(lái)有很大的轉變，針對其應用范疇，從高性能處理器產(chǎn)品，慢慢走向網(wǎng)絡(luò )通訊零組件以及針對低耗電的便攜式嵌入式產(chǎn)品。目前將近有8成的SRAM產(chǎn)品被應用在手持式通訊裝置以及網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品中，然而有眾多廠(chǎng)商研發(fā)出許多不同的替代型DRAM技術(shù)，在效能表現以及成本方面已有迎頭趕上的趨勢。 由于傳統SRAM在容量提升上的難度較高，且其過(guò)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(shù)引進(jìn)，也要在本身的技術(shù)上做出變化，比如說(shuō)，將手機專(zhuān)用的低耗電SRAM與NOR FLASH，利用多芯片封裝技術(shù)（MCP）封裝成單一個(gè)堆疊式存儲器芯片，達到同時(shí)兼具高速傳輸與大容量?jì)Υ娴哪康摹?BR> 而在網(wǎng)通產(chǎn)品方面，大多直接將SRAM原本架構直接搬上去，因為網(wǎng)通產(chǎn)品有持續的穩定電源供應，較不需擔心耗電量的問(wèn)題。 ■根據應用而使用不同類(lèi)型設計的SRAM SRAM將每個(gè)位元的資料儲存于以2個(gè)交錯配對反向器（Cross-Coupled inverters）形式存在的4個(gè)晶體管中，藉由這2個(gè)穩定的狀態(tài)來(lái)表示位元中的0與1，而另外2個(gè)附加的存取晶體，則是用來(lái)控制儲存細胞的讀寫(xiě)操作。目前主流的6T SRAM都是以這樣的形式來(lái)設計。而除了應用在高速處理器、網(wǎng)通產(chǎn)品以外的高速存取需求，其不需刷新的特色，也比傳統SDRAM架構更適用于低電力需求的小容量?jì)Υ娣桨浮?BR> ■SRAM的未來(lái)發(fā)展方向 傳統管線(xiàn)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(gè)方向，隨著(zhù)時(shí)間過(guò)去，這樣的設計方式已經(jīng)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(xiě)管線(xiàn)長(cháng)度，且讀和寫(xiě)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(shí)脈上的限制，超過(guò)限定的時(shí)脈會(huì )產(chǎn)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(shù)上常見(jiàn)的DDR及QDR等技術(shù)，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(cháng)。 過(guò)去由于SRAM在界面上的設計簡(jiǎn)單，讀寫(xiě)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(lè )裝置（如以往的CD隨身聽(tīng)、MD等），近年來(lái)則轉向手持式通訊裝置以及網(wǎng)通硬件。 而在未來(lái)的發(fā)展方向上，就目前所看到的計畫(huà)，SRAM本身的基本架構變動(dòng)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(shù)的研發(fā)并非一蹴可幾，而在SRAM這種高成熟度的產(chǎn)業(yè)中，也很難做出很大的突破。 就目前而言，比較大的變動(dòng)有IBM計畫(huà)將6個(gè)晶體管的設計增加為8個(gè)晶體管，以加強抗雜訊的能力，并針對高效能需求應用來(lái)設計的方案出現，但是其高昂的成本，卻限制住了該產(chǎn)品的應用廣度。目前各大SRAM廠(chǎng)商都朝著(zhù)減少SRAM的漏電電流，并加強SRAM的省電能力方向邁進(jìn)，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(lèi)存儲器技術(shù)走向，目前是以相同的1T SRAM為技術(shù)基礎最為熱門(mén)。雖然其名稱(chēng)有個(gè)SRAM，不過(guò)卻是界面采用SRAM，內部采用DRAM制程技術(shù)的混種技術(shù)，1T SRAM有效的利用DRAM單晶體單電容架構來(lái)研發(fā)出效能類(lèi)似于SRAM的產(chǎn)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(guò)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(huà)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(lái)說(shuō)，我們可以在市場(chǎng)上見(jiàn)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(lái)說(shuō)，其目標市場(chǎng)就是針對低耗電手持式裝置市場(chǎng)而來(lái)，對于手機研發(fā)廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，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(chǎng)商都已經(jīng)向PSRAM靠攏。 目前PSRAM陣營(yíng)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(dòng)裝置應用的PSRAM架構陣營(yíng)，不過(guò)由于其接腳及一些定義上與CellularRAM不兼容，所以一般較少見(jiàn)到其應用；以及韓國二大存儲器廠(chǎng)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(chǎng)商，多集中在CellularRAM這個(gè)陣營(yíng)，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(jīng)有容量高達256Mbit的PSRAM產(chǎn)品出現。 在MCP（多芯片封裝）市場(chǎng)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(mén)的PSRAM以外，針對行動(dòng)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(chǎng)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(jià)方案，采用LPSDRAM的平價(jià)方式，雖然效能可能比SRAM或PSRAM的方案低一點(diǎn)，但是可以大幅提升裝置的儲存容量，且同時(shí)降低生產(chǎn)的成本。 不過(guò)，DRAM雖然理論上可藉由各種技術(shù)加強來(lái)達到相近于甚至超越SRAM性能的表現，但是如此一來(lái)，在價(jià)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(lái)說(shuō)，其低廉價(jià)格，生產(chǎn)過(guò)程的簡(jiǎn)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(shí)間內DRAM尚無(wú)法完全取代SRAM的效能以及市場(chǎng)，但是以DRAM技術(shù)進(jìn)展速度的神速，未來(lái)也不無(wú)取代SRAM的可能。 ■結合存儲器與芯片 eDRAM往高階應用邁進(jìn) 將存儲器內嵌至芯片中也是另一個(gè)相當普遍的應用方式。在SOC與SIP相關(guān)產(chǎn)品發(fā)展至今，嵌入式存儲器早已經(jīng)不是什么新鮮的玩意，嵌入式存儲器早已經(jīng)不是什么新鮮的玩意，對于芯片設計廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，存儲器的嵌入，除了考量到整個(gè)系統架構的簡(jiǎn)潔以外，也必須從效能以及成本來(lái)做考量。 傳統嵌入式SRAM的應用已經(jīng)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(lái)說(shuō)，由于在存取指令時(shí)，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(wú)法與主存儲器做及時(shí)的資料處理與交換，就拿Intel的處理器來(lái)說(shuō)，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(huì )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(gè)好處，那就是不會(huì )有外部接線(xiàn)的困擾，如果要從外部透過(guò)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(huì )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(gè)以上），這不僅會(huì )導致芯片生產(chǎn)成本提高，連帶的也會(huì )導致PCB面積的巨大化。 eDRAM理論上的優(yōu)點(diǎn)有低耗電、高頻寬、小面積的優(yōu)勢，不過(guò)其成本關(guān)鍵在于制程的精密度，擁有越先進(jìn)制程的廠(chǎng)商用容易從eDRAM的生產(chǎn)中得到效益。由于eDRAM在生產(chǎn)過(guò)程中也會(huì )遇到傳統芯片生產(chǎn)的困難，比如說(shuō)電荷留滯時(shí)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(shí)，全體芯片的布局也會(huì )隨之復雜化。eDRAM在初期設計的高代價(jià)，也使其被局限于特定領(lǐng)域的應用，比如說(shuō)追求巨大銷(xiāo)量的游樂(lè )器市場(chǎng)、高階通訊裝備。
存儲器寬度與時(shí)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(shí)脈拉高也會(huì )有同樣的效果，不過(guò)兩者通常只能取其一。就拿目前高階顯示卡來(lái)說(shuō)，為了屈就于PCB有限的面積，再不增加布線(xiàn)復雜度的前提之下，就只能配備更時(shí)脈更高的存儲器，不論是增加芯片接腳、布線(xiàn)復雜度，或者是采用高時(shí)脈存儲器，都會(huì )大幅增加生產(chǎn)的成本。 eDRAM最著(zhù)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(xiě)入，1024bit作為讀取，512bit用來(lái)執行貼圖材質(zhì)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(guò)嚴格來(lái)說(shuō)，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(gè)10MB存儲器顆粒，而不是直接內建在繪圖芯片內部，不過(guò)基本上仍然達到了256GB/s的驚人地步，一點(diǎn)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(guò)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(gè)相當大的問(wèn)題，那就是因為它位于芯片內部，所以無(wú)法做的太大，做的太大，會(huì )導致芯片面積也跟著(zhù)變大，除了會(huì )導致良率下降，隨之而來(lái)的成本飛漲也會(huì )造成應用上的困擾，因此在設計階段就必須顧慮到實(shí)做的困難點(diǎn)，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(chǎn)品引領(lǐng)趨勢 在蘋(píng)果發(fā)表了采用大容量快閃存儲器的MP3隨身聽(tīng)后，一時(shí)之間快閃存儲器洛陽(yáng)紙貴，媒體與市場(chǎng)分析師紛紛指出未來(lái)儲存媒體將由快閃存儲器領(lǐng)軍。不過(guò)實(shí)際上呢，快閃存儲器發(fā)展至今，雖然容量越來(lái)越大，價(jià)格也越來(lái)越平易近人，但是距離全面普及的關(guān)鍵點(diǎn)仍有相當長(cháng)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(shù)上的差異，已經(jīng)被明顯的區隔開(kāi)來(lái)，由于雙方面的著(zhù)眼點(diǎn)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(lái)說(shuō)，NOR由于在小單位資料寫(xiě)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行（XIP）或關(guān)鍵系統資料的儲存與執行，而具有大量?jì)Υ嫘枨?，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(lái)執行，在大區塊的寫(xiě)入動(dòng)作中，NAND也能占有效能方面的優(yōu)勢。 而近來(lái)，采用SRAM/DRAM與快閃存儲器的混合式設計，已經(jīng)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行程序碼，會(huì )有速度不夠快，及快閃存儲器本身的寫(xiě)入壽命問(wèn)題牽制，在實(shí)際操作方面，通常會(huì )將會(huì )資料或程序碼從NOR/NAND快閃存儲器中讀取解壓縮出來(lái)到SRAM/SDRAM區塊中執行，以加速程序本身的執行效能表現。 NOR與NAND已經(jīng)是相當成熟／老舊的技術(shù)，在應用方面的限制相當多，因此也有不少廠(chǎng)商亟思于將兩者的優(yōu)點(diǎn)結合，創(chuàng )造出統一的快閃存儲器架構。在這方面的領(lǐng)域比較出名的有三星公司的OneNAND以及Spansion公司的OrNAND技術(shù)。 OneNAND是結合NAND架構、SRAM以及一個(gè)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(zhù)驚人的成長(cháng)以外，內建了〝DataLight OneBoot〞嵌入式控制軟件，即時(shí)監控NAND的讀寫(xiě)區塊，并可在出現損壞區塊時(shí)，立即加以隱藏，避免因為程序存取到相關(guān)區域，而導致系統崩潰的狀況產(chǎn)生。 而平常的讀寫(xiě)工作進(jìn)行時(shí)，也會(huì )由這個(gè)控制軟件來(lái)加以最佳化，進(jìn)而延長(cháng)NAND儲存區域的壽命。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(guò)內建的SRAM來(lái)達到直接在OneNAND上執行程序碼的功能，不過(guò)由于其內建的SRAM空間有限，因此XIP程序碼的長(cháng)度會(huì )受到限制，不過(guò)相較起傳統NAND的完全無(wú)法執行，已經(jīng)是相當大的進(jìn)步。 OneNAND的目標應用相當多，除了在手機、MP3隨身聽(tīng)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NAND，由于設計較復雜，成本也會(huì )較高。 Spansion公司的OrNAND采用的也是類(lèi)似的設計方式，采用了第二代的MirrorBit技術(shù)，單一個(gè)浮動(dòng)柵極即可表示兩個(gè)儲存單元，在儲存的效率上更高，雖然無(wú)法進(jìn)行XIP，但是其4倍于傳統NAND的效能表現，以及高安全性架構、低成本表現，廠(chǎng)商在選擇解決方案時(shí)，絕對會(huì )將OrNAND擺到傳統NAND的前面去，因此采用OrNAND的唯一顧慮就落在產(chǎn)能了，Spansion在與臺積電積極合作之下，這方面的問(wèn)題已經(jīng)獲得良好的解決。
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