從嵌入式應(yīng)用看存儲(chǔ)器的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
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| 針對(duì)嵌入式應(yīng)用 看市面存儲(chǔ)器的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) | ||
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| 存儲(chǔ)器是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)中最重要的一個(gè)媒體，不但肩負(fù)有指令緩沖的責(zé)任，也同時(shí)兼具儲(chǔ)存、管理、甚至是加速等作用，依照存儲(chǔ)器種類的區(qū)分，利用不同的設(shè)計(jì)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?shù)腟RAM、1T-SRAM到PSRAM、eDRAM等，分別都使用了不同的技術(shù)來(lái)達(dá)到符合特定應(yīng)用的目的，而為了SoC/SiP的儲(chǔ)存需求，內(nèi)嵌快閃存儲(chǔ)器也成了降低設(shè)計(jì)成本、降低體積的絕妙方式。 ■老而彌堅(jiān) 腳步陳穩(wěn)的SRAM SRAM，即一般的4T、6T SRAM，是傳統(tǒng)處理芯片應(yīng)用中最廣泛的一種，目前以6T SRAM為主流，6T代表其設(shè)計(jì)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(gòu)，連帶使得成本增加，但是其超高的效能表現(xiàn)，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(gòu)中。
SRAM的技術(shù)發(fā)展在近幾年來(lái)有很大的轉(zhuǎn)變，針對(duì)其應(yīng)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(duì)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(yīng)用在手持式通訊裝置以及網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中，然而有眾多廠商研發(fā)出許多不同的替代型DRAM技術(shù)，在效能表現(xiàn)以及成本方面已有迎頭趕上的趨勢(shì)。 由于傳統(tǒng)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(yīng)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(jī)專用的低耗電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(chǔ)器芯片，達(dá)到同時(shí)兼具高速傳輸與大容量?jī)?chǔ)存的目的。 而在網(wǎng)通產(chǎn)品方面，大多直接將SRAM原本架構(gòu)直接搬上去，因?yàn)榫W(wǎng)通產(chǎn)品有持續(xù)的穩(wěn)定電源供應(yīng)，較不需擔(dān)心耗電量的問(wèn)題。 ■根據(jù)應(yīng)用而使用不同類型設(shè)計(jì)的SRAM SRAM將每個(gè)位元的資料儲(chǔ)存于以2個(gè)交錯(cuò)配對(duì)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(wěn)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(chǔ)存細(xì)胞的讀寫操作。目前主流的6T SRAM都是以這樣的形式來(lái)設(shè)計(jì)。而除了應(yīng)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(tǒng)SDRAM架構(gòu)更適用于低電力需求的小容量?jī)?chǔ)存方案。 ■SRAM的未來(lái)發(fā)展方向 傳統(tǒng)管線突發(fā)式SRAM在90年代被大量應(yīng)用在主機(jī)板上，由于針對(duì)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(nèi)讓資料流保持在同一個(gè)方向，隨著時(shí)間過(guò)去，這樣的設(shè)計(jì)方式已經(jīng)不敷使用，因此較新型的ZBT（零匯流排轉(zhuǎn)換） SRAM也隨之應(yīng)運(yùn)而生，這種SRAM由于具有相同的讀寫管線長(zhǎng)度，且讀和寫之間的Latency是零，因此在特定應(yīng)用上有不錯(cuò)的表現(xiàn)。 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(xiàn)象，因此就必須加入相對(duì)應(yīng)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(dǎo)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(shù)目，取得效能的增長(zhǎng)。 過(guò)去由于SRAM在界面上的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，讀寫速度快，及低耗電的特性，因此被廣泛的應(yīng)用在各種儲(chǔ)存裝置（硬碟機(jī)、燒錄機(jī)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(zhuǎn)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(jì)畫，SRAM本身的基本架構(gòu)變動(dòng)不大，最主要還是集中在匯流排的架構(gòu)以及外部控制電路的設(shè)計(jì)，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(jì)畫將6個(gè)晶體管的設(shè)計(jì)增加為8個(gè)晶體管，以加強(qiáng)抗雜訊的能力，并針對(duì)高效能需求應(yīng)用來(lái)設(shè)計(jì)的方案出現(xiàn)，但是其高昂的成本，卻限制住了該產(chǎn)品的應(yīng)用廣度。目前各大SRAM廠商都朝著減少SRAM的漏電電流，并加強(qiáng)SRAM的省電能力方向邁進(jìn)，以期提升SRAM的競(jìng)爭(zhēng)力。 ■朝高速化低耗電發(fā)展 SRAM替代品紛紛出籠 這類存儲(chǔ)器技術(shù)走向，目前是以相同的1T SRAM為技術(shù)基礎(chǔ)最為熱門。雖然其名稱有個(gè)SRAM，不過(guò)卻是界面采用SRAM，內(nèi)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(gòu)來(lái)研發(fā)出效能類似于SRAM的產(chǎn)品，由于成本較低，且芯片面積小，有利于大幅的擴(kuò)充容量。 1T SRAM過(guò)去曾被大幅應(yīng)用在任天堂的GAMECUBE中，繪圖芯片與主存儲(chǔ)器，利用其低耗電與高效能的特性，讓該游戲主機(jī)的畫面水平得以發(fā)揮到相當(dāng)高的程度。而次世代主機(jī)Wii也將繼續(xù)沿用1T SRAM的存儲(chǔ)器架構(gòu)，這對(duì)于主機(jī)成本的控管以及效能的平衡上，有相當(dāng)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(chǔ)器，就以PSRAM來(lái)說(shuō)，其目標(biāo)市場(chǎng)就是針對(duì)低耗電手持式裝置市場(chǎng)而來(lái)，對(duì)于手機(jī)研發(fā)廠商來(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(xiàn)的特性，對(duì)于目前手機(jī)的小型化有莫大的幫助，因此大部分的手機(jī)研發(fā)廠商都已經(jīng)向PSRAM靠攏。 目前PSRAM陣營(yíng)包括了由柏士半導(dǎo)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(duì)行動(dòng)裝置應(yīng)用的PSRAM架構(gòu)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(yīng)用；以及韓國(guó)二大存儲(chǔ)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(tái)灣存儲(chǔ)器廠商，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(dǎo)體合作（在PSRAM方面）。目前也已經(jīng)有容量高達(dá)256Mbit的PSRAM產(chǎn)品出現(xiàn)。 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、目前熱門的PSRAM以外，針對(duì)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(gòu)主要有兩種，一種是采用NOR-PSRAM-NAND的高效率架構(gòu)，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(chǔ)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(qiáng)來(lái)達(dá)到相近于甚至超越SRAM性能的表現(xiàn)，但是如此一來(lái)，在價(jià)格方面勢(shì)必也將與SRAM平起平坐，甚至超越，對(duì)于DRAM架構(gòu)的加強(qiáng)版應(yīng)用來(lái)說(shuō)，其低廉價(jià)格，生產(chǎn)過(guò)程的簡(jiǎn)易（利用現(xiàn)有的DRAM制程即可），及在合理成本范圍內(nèi)可接受的效能表現(xiàn)。雖然短時(shí)間內(nèi)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(jié)合存儲(chǔ)器與芯片 eDRAM往高階應(yīng)用邁進(jìn) 將存儲(chǔ)器內(nèi)嵌至芯片中也是另一個(gè)相當(dāng)普遍的應(yīng)用方式。在SOC與SIP相關(guān)產(chǎn)品發(fā)展至今，嵌入式存儲(chǔ)器早已經(jīng)不是什么新鮮的玩意，嵌入式存儲(chǔ)器早已經(jīng)不是什么新鮮的玩意，對(duì)于芯片設(shè)計(jì)廠商來(lái)說(shuō)，存儲(chǔ)器的嵌入，除了考量到整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的簡(jiǎn)潔以外，也必須從效能以及成本來(lái)做考量。 傳統(tǒng)嵌入式SRAM的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)悠久，其中以處理器在SRAM的嵌入更是具有指標(biāo)性的意義，對(duì)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(chǔ)器做溝通，雖然處理器內(nèi)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(shì)必?zé)o法與主存儲(chǔ)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(jí)快取存儲(chǔ)器，并配合相對(duì)的指令或資料Prefetch機(jī)制，讓這些二級(jí)快取作為處理器與主存儲(chǔ)器之間的緩沖，以達(dá)成理想的整體效能。
而將SRAM改成DRAM，作為嵌入式應(yīng)用，eDRAM能帶給芯片怎樣的好處？首先，DRAM所占用的晶體管數(shù)目少，因此相同的面積，eDRAM可以達(dá)到較高的容量。其次，由于存儲(chǔ)器位于處理器內(nèi)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)有外部接線的困擾，如果要從外部透過(guò)具有巨大寬度的bus連接存儲(chǔ)器，那么芯片對(duì)外的接腳數(shù)目會(huì)變的非常龐大（目前主流顯示存儲(chǔ)器GDDR3的接腳數(shù)目就高達(dá)1,000個(gè)以上），這不僅會(huì)導(dǎo)致芯片生產(chǎn)成本提高，連帶的也會(huì)導(dǎo)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(shì)，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(tǒng)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(chǔ)存細(xì)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(fù)雜化。eDRAM在初期設(shè)計(jì)的高代價(jià)，也使其被局限于特定領(lǐng)域的應(yīng)用，比如說(shuō)追求巨大銷量的游樂(lè)器市場(chǎng)、高階通訊裝備。
存儲(chǔ)器寬度與時(shí)脈是對(duì)等的，寬度越高，存儲(chǔ)器所輸出的頻寬也越高，而記憶而存儲(chǔ)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，再不增加布線復(fù)雜度的前提之下，就只能配備更時(shí)脈更高的存儲(chǔ)器，不論是增加芯片接腳、布線復(fù)雜度，或者是采用高時(shí)脈存儲(chǔ)器，都會(huì)大幅增加生產(chǎn)的成本。 eDRAM最著名的應(yīng)用案例就是SONY PS2的GS繪圖芯片，內(nèi)嵌了bus寬度為2560bit的4MB eDRAM，而其分割式bus設(shè)計(jì)，1024bit作為寫入，1024bit作為讀取，512bit用來(lái)執(zhí)行貼圖材質(zhì)讀取，達(dá)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(yán)格來(lái)說(shuō)，這10MB的存儲(chǔ)器并不是標(biāo)準(zhǔn)的eDRAM，因?yàn)樗遣捎靡噪娐愤B接繪圖芯片核心以及獨(dú)立的一個(gè)10MB存儲(chǔ)器顆粒，而不是直接內(nèi)建在繪圖芯片內(nèi)部，不過(guò)基本上仍然達(dá)到了256GB/s的驚人地步，一點(diǎn)也不輸給直接內(nèi)建在芯片內(nèi)部的設(shè)計(jì)，而分離式的設(shè)計(jì)也可以有效提升芯片良率。 目前嵌入到芯片內(nèi)部的存儲(chǔ)器架構(gòu)大多采用1T SRAM家族，其低耗電量與高效能表現(xiàn)，加上占用芯片面積小，成了其導(dǎo)入的最大優(yōu)勢(shì)。不過(guò)1T SRAM在控制電路上的復(fù)雜性相當(dāng)高，因此在設(shè)計(jì)階段的難度相當(dāng)高。 標(biāo)準(zhǔn)eDRAM也有個(gè)相當(dāng)大的問(wèn)題，那就是因?yàn)樗挥谛酒瑑?nèi)部，所以無(wú)法做的太大，做的太大，會(huì)導(dǎo)致芯片面積也跟著變大，除了會(huì)導(dǎo)致良率下降，隨之而來(lái)的成本飛漲也會(huì)造成應(yīng)用上的困擾，因此在設(shè)計(jì)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(chǔ)器？NAND快閃存儲(chǔ)器？混合特性產(chǎn)品引領(lǐng)趨勢(shì) 在蘋果發(fā)表了采用大容量快閃存儲(chǔ)器的MP3隨身聽(tīng)后，一時(shí)之間快閃存儲(chǔ)器洛陽(yáng)紙貴，媒體與市場(chǎng)分析師紛紛指出未來(lái)儲(chǔ)存媒體將由快閃存儲(chǔ)器領(lǐng)軍。不過(guò)實(shí)際上呢，快閃存儲(chǔ)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(dāng)長(zhǎng)的一段距離。 快閃存儲(chǔ)器的兩大架構(gòu)—NOR以及NAND，在應(yīng)用范圍以及技術(shù)上的差異，已經(jīng)被明顯的區(qū)隔開(kāi)來(lái)，由于雙方面的著眼點(diǎn)不同，因此也都有其不同的應(yīng)用方向。 在針對(duì)嵌入式平臺(tái)的發(fā)展方面，就一般設(shè)計(jì)概念來(lái)說(shuō)，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(guān)鍵系統(tǒng)資料的儲(chǔ)存與執(zhí)行，而具有大量?jī)?chǔ)存需求，而在資料保全層級(jí)需求較低的應(yīng)用方面，就由便宜又大碗的NAND來(lái)執(zhí)行，在大區(qū)塊的寫入動(dòng)作中，NAND也能占有效能方面的優(yōu)勢(shì)。 而近來(lái)，采用SRAM/DRAM與快閃存儲(chǔ)器的混合式設(shè)計(jì)，已經(jīng)變成兼顧效能與儲(chǔ)存需求的主流設(shè)計(jì)之一，由于手持式裝置如果要在快閃存儲(chǔ)器上直接執(zhí)行程序碼，會(huì)有速度不夠快，及快閃存儲(chǔ)器本身的寫入壽命問(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(chǔ)器中讀取解壓縮出來(lái)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(xiàn)。 NOR與NAND已經(jīng)是相當(dāng)成熟／老舊的技術(shù)，在應(yīng)用方面的限制相當(dāng)多，因此也有不少?gòu)S商亟思于將兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，創(chuàng)造出統(tǒng)一的快閃存儲(chǔ)器架構(gòu)。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(jié)合NAND架構(gòu)、SRAM以及一個(gè)讀取效率可達(dá)108Mbps高速匯流排，藉由這樣的結(jié)合，除了在讀取效能有著驚人的成長(zhǎng)以外，內(nèi)建了〝DataLight OneBoot〞嵌入式控制軟件，即時(shí)監(jiān)控NAND的讀寫區(qū)塊，并可在出現(xiàn)損壞區(qū)塊時(shí)，立即加以隱藏，避免因?yàn)槌绦虼嫒〉较嚓P(guān)區(qū)域，而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的狀況產(chǎn)生。 而平常的讀寫工作進(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(zhǎng)NAND儲(chǔ)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(bǔ)足，使其在資料安全性上可與NOR一較高下。 OneNAND也透過(guò)內(nèi)建的SRAM來(lái)達(dá)到直接在OneNAND上執(zhí)行程序碼的功能，不過(guò)由于其內(nèi)建的SRAM空間有限，因此XIP程序碼的長(zhǎng)度會(huì)受到限制，不過(guò)相較起傳統(tǒng)NAND的完全無(wú)法執(zhí)行，已經(jīng)是相當(dāng)大的進(jìn)步。 OneNAND的目標(biāo)應(yīng)用相當(dāng)多，除了在手機(jī)、MP3隨身聽(tīng)以外，也將應(yīng)用目標(biāo)指向數(shù)碼相機(jī)以及數(shù)碼電視中。雖然OneNAND容量比NOR大，但小于傳統(tǒng)NAND，由于設(shè)計(jì)較復(fù)雜，成本也會(huì)較高。 Spansion公司的OrNAND采用的也是類似的設(shè)計(jì)方式，采用了第二代的MirrorBit技術(shù)，單一個(gè)浮動(dòng)?xùn)艠O即可表示兩個(gè)儲(chǔ)存單元，在儲(chǔ)存的效率上更高，雖然無(wú)法進(jìn)行XIP，但是其4倍于傳統(tǒng)NAND的效能表現(xiàn)，以及高安全性架構(gòu)、低成本表現(xiàn)，廠商在選擇解決方案時(shí)，絕對(duì)會(huì)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(chǎn)能了，Spansion在與臺(tái)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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評(píng)論