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存储器新技术应用优势探讨

2010-06-30 11:04
老猫
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随着新技术的不断涌现以及原有技术的改进,存储器组合也在不断发生变化,以前未曾听说的存储器技术现在已经得到普遍使用。例如,上网本已经开始配备固态存储器,这种存储器能满足上网本更低的功耗要求,从而延长上网本的电池寿命。

 

为获得更大的存储容量,需要采用不同的方法和折衷处理。例如,多层单元(MLC)闪存的容量要比单层单元(SLC)闪存的容量大,但MLC闪存的性能和硬件寿命不如SLC闪存。


与此同时,硬盘尺寸在不断缩小。2.5英寸硬盘与以前的5.25英寸全高硬盘相比迥然不同,而且尺寸更小的硬盘却有着更大的容量和更快的响应速度。业界还在广泛使用RAID提供更可靠的存储,并趋向于采用更小、更灵活的解决方案。

每个处理器都要用到存储器,一些系统可能只需一种类型的存储器,但更多的时候是采用层次化存储器技术,例如带有冗余磁盘阵列(RAID)存储系统的服务器(图1)。每一种存储器,比如高容量存储器、快速存取存储器或非易失性存储器,都能为系统做出不同的贡献。

 

 


图1:SAS控制器可能利用多种存储器来满足不同的要求。


非易失性固态存储器


DRAM天生是易失性存储器,但非易失性存储器永远是系统解决方案的一部分。多年来,非易失性固态存储器有了戏剧性的变化,容量在不断上升,成本在不断下降。如今已有许多非易失性固态存储器技术投入实际使用,从闪存到MRAM,再到FRAM等。


只读存储器(ROM)是一种众所周知的非易失性存储器技术,在标准微控制器中更常见。在定制芯片中总有ROM的身影,因为它是最高效的非易失性存储技术。遗憾的是,ROM保存的内容不能像本文讨论的其它非易失性存储技术那样被修改。

 

采用ROM的一个例子是Luminary Micro公司的LM3S9000微控制器,它的运行时库可以提供StellarisWare库服务。相比之下,基于ROM的典型定制微控制器包含整个应用程序。在Luminary Micro公司的案例中,使用ROM代码的主程序存放在使用另一个非易失性存储器的器件中。这种ROM可能有启动代码,因此允许主程序来自多个源,包括来自网络。

 

闪存能提供应用范围非常广的解决方案。FRAM和MRAM也有很前途,目前主要用于重要而专业的一些应用中,它们也有类似的特性。

 

这些非易失性存储器可以有效地替代SRAM,并以SRAM速度工作。然而,非易失性存储器没有闪存的写入寿命问题,因此可以用作初级存储器和次级存储器。非易失性存储器的容量在不断提高,成本在不断下降,但仍落后于SRAM和闪存。这就导致一些有趣的组合,如上文提到的RAID控制器。

 

FRAM供应商Ramtron公司开发的基于8051的VRS51L31xxx微控制器系列,整合了64kB的闪存、4kB的SRAM和多达8kB的FRAM(图3)。闪存用于程序存储和长期、变化缓慢的数据,SRAM和FRAM用于读/写数据,FRAM则用于处理非易失性事务。

 

 


图3:Ramtron公司的VRS51L3xxx微控制器集成了8KB FRAM用于非易失性数据存储。

 

FRAM和MRAM还可替代SRAM和闪存器件。Everspin公司的MR2Axx MRAM产品线与标准的8位和16位SRAM器件保持引脚兼容。这些器件还提供球栅阵列(BGA)封装、35ns的读/写时间和扩展工业温度版本。Everspin的MRAM已被用于爱默生网络电源公司的基于飞思卡尔MPC864xD的MVME7100单板电脑中(图4)。Everspin今年还推出了16Mb MRAM。

 

 


图4:基于Freescale MPC864xD的MVME7100单板计算机采用了Everspin公司的512KB MRAM。

 

Numonyx公司的相变存储器也即将推出。如同Z-RAM一样,这种存储器也必须战胜已有技术,而它的性能和可扩展性能够确保它一旦推出就占尽优势。虽然这种技术离成熟还要几年时间,但有必要对这种技术保持密切留意。

易失性存储器


随机存取存储器(RAM)是商用计算设备的中心。目前的RAM通常是易失性存储器,包括替代非易失性磁芯存储器的静态RAM(SRAM)和动态RAM(DRAM)等。不过,类似铁电RAM(FRAM)和磁性RAM(MRAM)等新技术有望改变这一局面。


单独的SRAM芯片仍有使用,但大多数SRAM都集成在芯片上,作为微控制器的一部分,提供从寄存器文件到多级缓存等功能。它的主要优点是高性能,缺点是需占用芯片面积且功耗较高。


虽然DRAM和逻辑部分采用的半导体技术不同,使得两者更合适在不同芯片上实现,但片上DRAM却越来越普及了。此外,DRAM的更高容量迫使设计师将DRAM拿到处理器芯片之外。这样,设计师可以自由选择存储器的容量,或者由最终用户来增加存储器。


嵌入式设计师在选择DRAM时会面临许多其它方面的挑战,这是因为他们使用的微处理器有广泛的性能特性,就像DRAM一样。嵌入式设计师还需要考虑产品寿命,而PC用户喜欢尝试最新、最大以及每位成本最低的存储器。虚拟技术的崛起正推动存储器走向更高密度。正如谚语说的那样:再大的存储器都不够用。


低端市场还在采用古老但利用率仍然很高的同步DRAM(SDRAM),至少在嵌入式应用领域是这样。SDRAM货源很足并且价格便宜,目前看来它最大的优势是接口要求简单。与大量PC系统上使用的DDR2和DDR3相比,SDRAM较慢的速度对设计师来说是一种优势,特别是在需要匹配速度相对慢的处理器的情况下。与DDR2和DDR3相比,容量和效率是SDRAM的弱项。

 

微处理器设计师遇到的另一个问题是速度。提高速度上限通常意味着同时提高速度的下限。在使用ADM、Intel和VIA等公司提供的最新x86 GHz多内核处理器时,这样做没有什么问题,但在试图支持200MHz处理器时就会有问题。

 

当然,处理器时钟频率的提高将伴随着成本和功耗要求的相应提高,而这两个指标显然不是我们想要的。几乎所有微控制器都能处理SDRAM,还有些能处理DDR2,但很少能处理DDR3那样高的速度。

 

DDR2是目前最常用的器件,它被广泛用于服务器、PC和笔记本电脑,但这些系统正在快速转向DDR3。诚然,DDR2在很长一段时间内仍将是嵌入式系统的最爱,即使出货量开始下降,价格开始攀升。这种变化不会很快,但方向不会改变。嵌入式市场的挑战在于满足低端微控制器的DDR2性能要求。

 

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