不同存储技术的发展与实务应用

DDR SDRAM为系统存储器应用主流

前言：
只要是运算装置，就需要具备存储系统，依据不同读/写或传输需求，而有了不同规格、原理与元件材质的存储媒材设计，而不管是伺服主机还是笔记本电脑，甚至是针对移动用途开发的MID或移动电话，虽然有存储选用元件上的差异，但亦免不了需要存储系统辅助应用，而现有存储技术发展日新月异，可用的解决方案分别针对功耗、效能目的而有不同的解决方案...

本文：
每一套电脑系统，下至移动电话，大到伺服主机，都需要有一组存储系统搭配运行，以桌上型电脑、笔记本电脑等产品为例，会针对系统架构中不同的传输效能的需求差异，应用适合的存储解决方案，例如数据变更极少的BIOS数据存储，因为变动不大、也不希望常常被更改或数据消失，多数采ROM、Flash Memory架构解决数据备存与读取需求，而必须面对繁复运算的环节，则导入DRAM或是SRAM，至于介于需长时间存储、记忆的存取需求，就可靠HDD或新兴的SSD装置满足应用所需。

再来看伺服主机所需的存储需求中，就需具备大容量存储空间与容错功能设计，此时，就必须透过RAID(Redundant Array of Independent Disks)这类存储系统因应，而不同的存储装置或元件，都能对一个运行的系统架构发挥其元件特性，例如，硬盘仍为目前大容量存储的高性/价比首选，而SRAM、DDR2/DDR3 SDRAM则适用高速需求的存取应用环境。

串行传输逐渐取代并列设计

存储装置的连接技术，为达到简化设计目的改行串行式的数据传输架构，已成为设计主流，旧的并列式设计架构在于信号线增加、传输功耗、容易受干扰与电路面积较大等限制，相关设计已经有逐渐降低的趋势。

在消费性产品的外接应用方面，外接式SATA(eSATA)用量越来越高，多数应用产品也以此类连接器为主要安装方式，在外接界面部份，USB 3.0可满足更高数据吞吐量的巨量传输应用需求出现，但目前短期内USB 3.0的相关应用仍属少数，多会以硬盘装置或SSD装置应用为主，相关外接需求仍以高速USB 2.0 480 Mbps传输速率应用为主。 至于商业用途的外接解决方案，SAS和Fibre Channel(光纤传输)在企业级存储市场应用益形普遍。

HDD具大容量存储优势 SSD在中/小容量应用崭露头角

在大容量应用市场中，目前硬盘仍为主流应用，在功耗、单位容量成本、应用有不可取代的优势。目前热门的SSD，成本仍不及HDD表现优异，但其高效能特性成为大容量存储解决方案受欢迎的选择。

此外，讨论HDD不可忽视SSD固态硬盘的发展趋势，目前SSD几乎已完全取代微型硬盘的市场，为部分Netbook减省制作成本的存储解决方案之一，目前虽大容量成本仍高，但在中/低容量的市场正侵蚀2.5寸笔记本电脑用硬盘市占。因为SSD不受机械架构限制，让SSD拥有更多外在构型弹性，另SSD可以不遵循常规方形硬盘构型，用堆叠或是其他变化达到适应硬件特殊设计目的，而硬盘机则无法因应此设计需求。

快闪存储器提供便捷存储应用

Flash Memory快闪存储器，是目前业界使用相当广泛的成熟存储技术，多数模块化的快闪存储器产品，都已经将快闪存储器与读/写控制器直接整合，提供系统开发时更简化的设计支持。模块化的快闪存储器，面对应用环境不同，也有不同的设计格式，例如CF记忆卡、SD/xD、MiniSD或采USBU盘模式制作。

嵌入式系统应用而言，目前工业级应用的CF记忆卡，已可支持双通道操作高读/写效能支持，而不少嵌入式系统若对读/写效能要求不高，甚至可以看到采SD记忆卡或一般CF记忆卡的架构方式。对稳定度要求相对较高的嵌入式应用，工业用水准的快闪存储器另有相当多元的选择，如采PCIe、SATA或IDE界面的DOM记忆卡，或是特殊的连接设计，这类快闪存储器不但可以用以架构嵌入式系统的作业环境，其读/写特性亦可完全取代系统的硬盘设置，让嵌入式系统大幅简化系统设计。

对比其它存储技术，目前主流快闪存储器技术会因为其存储元件架构而影响性能或特性表现。多数系统架构的考量基准，会着眼于核心元件特性表现，再来讨论是否对于系统架构中发挥其应用价值，例如，NAND型快闪存储器元件的单位数据抹除速度为2ms，反观NOR型快闪存储器元件抹除数据虚耗时900ms，效能差异大。再从容量的角度来观察，NOR型Flash Memory的容量是NAND 型Flash Memory的4倍，而两者的容量差距仍不断拉大中！

SLC和MLC架构上的差异，也与NOR或NAND的讨论有类似限制需考量，目前在MLC Flash Memory技术方面，制成的Flash Memory具更高密度特性，但另一方面，其可支持写入次数就相对少许多，影响产品寿命。

SDRAM 仍为系统存储器应用为主

RAM(Random Access Memory)一直电脑设备的核心存储元件，为挥发性存储元件DRAM(Dynamic Random Access Memory)，用以取代早期的磁芯存储元件，但这个应用状况，也可能被目前发展中的 FeRAM(Ferroelectric RAM)或磁阻存储器(Magnetoresistive Random Access Memory；MRAM)等新一代非挥发性存储器存储技术取代，但目前主流应用仍以DRAM、SDRAM为主。

SDRAM一直是在性/价比相当高的系统存储器，今日电脑系统大量使用DDR2、DDR3 SDRAM，SDRAM在传输速度相对较慢，但也因为如此，在系统中想将SDRAM与高频运作的处理器搭配整合时，在设计难度上也相对较低。

SRAM为高效能特殊应用

SRAM(Static Random Access Memory)多半应用于需要高速存取的环境中，例如，处理器内的快取存储器、硬盘连接界面的Buffer，或是网通设备的存取应用。除在高速网通设备大量应用SRAM优势外，另一个大量使用的状况就是处理器的快取存储器。

SRAM特性为速度快、效能高，但单位成本却是不便宜，因为其应用目的在提升界面或提高传输的效能，等于是用钱买速度，至于容量，则在系统设计中必须针对数据特性与应用条件，进行最佳化的评估与设置，并非容量越大越好，即便SRAM大到一个程度，若系统数据处理量未达到运作瓶颈，硬是提升SRAM的容量也只会徒增闲置存储器的元件成本。

极具潜力的FeRAM和MRAM

观察快闪存储器的元件特性会发现， FeRAM和MRAM也具备近似的特质，可应用的相关解决方案特性差异不大，虽然目前应用于实际设计并不多见，但未来发展仍值得持续观察。

FeRAM和MRAM这类非挥发性存储器，其存储元件可以具备接近SRAM的应用效益，而且FeRAM和MRAM没有Flash Memory必须面对的写入次数限制的寿命问题，这些特性让FeRAM和MRAM在用于初阶或次级存储系统应用时，若不考量成本因素，也是值得导入的应用技术，但目前成本仍相当高。FeRAM和MRAM目前的问题在于实作的容量，与量产的效能、良率问题，FeRAM和MRAM虽然容量不断持续提升、制造成本也不断下探，但现阶段仍未能达到取代SRAM与Flash Memory的应用效益。

虽然FeRAM仍在发展初期，由于其元件特性，相关业者也发展出部分特殊应用组合，例如FeRAM供应商Ramtron就有推出基于8051单芯片系列微控制器，其架构即整合64kByte快闪存储器与4kByte SRAM，其架构还包含内建8kByte的FeRAM。在此产品案例中，快闪存储器是用做存储程序码或较少变更的系统数据，SRAM和FeRAM搭配式用以处理系统运作的读/写数据，而因为FeRAM有非挥发性存储器特质，更可用于系统关闭下仍需要存储运行数据的应用场合，提供较SRAM更大的使用弹性。