嵌入式系统于储存与穿戴装置的应用

SSD控制芯片采用多核嵌入式处理器技术(Marvell/OCZ/LSI/Samsung)

基于对耐震与恶劣环境的容忍性需求，嵌入式系统较少使用有主轴马达的硬盘，而是使用EEPROM、NAND Flash等非挥发性存储器，如SD/SDHC/SDXC、CompactFlash (CF)/CFast记忆卡、eMMC╱SSD单芯片(4？64GB)，体积大小与IDE或SATA界面相仿的磁碟模块(Disk On Module；DOM)；有些嵌入式系统则设计是Mini PCI-E、mSATA、M.2(NGFF)等新型插槽，来安装SSD模块卡，需要较大量的嵌入式装置，则会使用SATA/SATA Express界面、7/9.5mm厚度的SSD，容量要求要从4/8GB到64/128GB不等。

SSD控制芯片多核嵌入化 朝结盟、分众趋势迈进

作为嵌入式系统的储存应用主流－固态硬盘(Solid State Drive；SSD)，无论是用NAND Flash IC/SSD Controller控制芯片的PCBA，封装在一个2.5寸7/9.5mm厚度的笔记型硬盘外观SSD，或者以Mini PCI-E、mSATA、M.2插槽设计的SSD模块卡，甚至是NAND Flash晶圆与控制芯片封装成单一芯片外观的SSD芯片，SSD的主控芯片，从纯SSD供应芯片商如宜鼎(InnoDisk)、美满电子(Marvell)、慧荣(SMI)、群联(Phison)、智微(JMicron)、亮发(InCOMM)，被希捷并购的Avago/LSI SandForce，到结合自家或联盟NAND Flash厂的如新帝/东芝(SanDisk/Toshiba)、东芝/OCZ (Toshiba/OCZ)、三星(Samsung)、英特尔(Intel)等。

宜鼎(InnoDisk)针对嵌入式╱工控市场研发的InnoDisk ID167控制芯片，采四通道8CE设计，40bit/1KB ECC数据修正能力，搭配24/25nm制程的同步型(Sync) MLC Flash存储器颗粒、64Mx16bit的DDRⅢ缓冲区设计，并提供由InnoDisk ID167芯片与Flash硅片做COB封装的32GB(4CH x 1CE)与64GB (4CH x 2CE)单芯片版本，可达到480MB/s、140(1CE)~270MB/s(2CE)的循序读取╱写入效能。

被SSD大厂OCZ买下(现隶属于东芝集团)的Indilinx，是早期以解散的专业韩系SSD厂MTRON人马所设立，其Indilinx Barefoot/Barefoot2系列在SATA2 SSD时代仍占有7成江山，但因为对25nm NAND Flash支持速度太慢，进行中的第三代Barefoot2控制芯片进度严重落后，以至于支持SATA 6Gbps的SandForce 2281芯片的出现而败下阵来，最后沦为被OCZ并购的命运。

OCZ于Vertex450产品率先使用Indilinx Barefoot3主控芯片，并可搭配20nm制程的ONFI快闪存储器，但是在效能上并未有特别突出之处。随后OCZ推出改由台积电代工生产的Indilinx Barefoot3 M10主控芯片，以ARM Cortex双核心架构，将其中一个核心改成Aragon的RISC核心引擎，以OCZ独家的RISC程序语言架构针对NAND Flash做读写、ECC5错误修正管理，同时也支持19~25nm Toggle/ONFI 同步╱非同步快闪存储器颗粒，以及支持TRIM、AES-256加密等机制。

先后被LSI、Avago以及希捷(Seagate)并购的SandForce，在2012年最早推出支持SATA 6Gbps、内建16MB Buffer以及DuraWrite实时压缩写回技术的SF-22XX系列控制芯片，推出时即迅速占有SSD市场的大片江山，至今市占率仍居第3。但由于SandForce曾大量铺货，加上厂家以时脉减半的ONFI非同步存储器来搭配，使得后期采SF-2281的SSD硬盘╱模块效能普遍偏低。

随后SandForce推出同时支持PCIe、SATA 6Gbps双型态界面的SF3700控制芯片，支持20nm以下NAND Flash(MLC/TLC)，可设计成mSATA/M.2/SATA Express/NVMe各种界面的SSD装置、模块。但是在SandForce先后被LSI Logic、Avago并购，后又转手被硬盘大厂希捷(Seagate)所购买，SandForce SF-37xx系列是否会像OCZ那样，从开放变成仅专门供应集团内部的SSD研发制造所需，值得业界观察。

Marvell早期以88SS9174芯片被美光(Micron) M4、Plextor的M5P、SanDisk ExtremeⅡ等SSD硬盘采用而声名大噪，具备非压缩读写效能快速且稳定的特性。随后88SS9187、88SS9189等芯片再创巅峰，把LSI SandForce挤下而成为SSD控制芯片的龙头。最近则推出支持PCIe 3.0/NVMe界面的88SS1093控制芯片，以及DRAMless无缓冲低价工控方案的88NVSS1120、88NV1140芯片。

掌握全球最大NAND Flash快闪存储器产能的三星(Samsung)，则以自家研发的三核心(300MHz ARM Cortex R4)的MDX控制器芯片，以及强化过的三核心(400MHz ARM Cortex R5)的MEX控制器芯片，供自家830 Pro、840 Pro等固态硬盘产品使用。尤其MEX控制芯片率先支持三星的TLC(Triple Level Cell)快闪存储器颗粒，使得TLC SSD硬盘发挥出不逊于市场其他竞争对手MLC颗粒产品的读写效能与高C/P值。

3D堆叠技术增加快闪存储器密度

过去工控市场偏好高抹写次数的SLC(Single Level Cell)快闪存储器，随着NAND Flash跨入1xnm制程，也有厂商以pseudoSLC的技术，将MLC四种电荷记录状态，以间隔使用其中两组的方式，来提升可抹写次数(Program/Erase；P/E)与耐受度，因应耐受度要求极高的军方与工控嵌入式市场。但是比MLC抹写次数(P/E Cycles)更低的TLC，在嵌入式应用特别是工业控制领域上要被接受，目前还有一定的难度。

三星(Samsung)于2006年发表Stacked NAND，2009年发表垂直通道TCAT与水平通道的VG-NAND、VSAT。2013年8月进一步发表名为V-NAND的3D NAND Flash芯片，以基于3D CTF(Charge Trap Flash)技术和垂直堆叠单元结构，单一芯片可堆叠出128Gb的容量，比目前20nm平面NAND Flash多两倍，可靠性、写入速度也比20nm制程NAND Flash还高。目前已用于840 Pro的SSD固态硬盘产品。

东芝(Toshiba)以2009年开发的BiCS－3D NAND Flash技术，自2014年第二季起小量试产，并计划于2015年顺利衔接现有1y、1z纳米技术的Flash产品。东芝与新帝(SanDisk)合资的日本三重县四日市晶圆厂，第二期工程扩建计划于2014年Q3完工，预计Q4顺利进入量产阶段。SK海力士、美光(Micron)、英特尔(Intel)阵营也明确宣告各自的3D-NAND Flash蓝图，均已于2014年Q2送样测试，预计最快2015年Q1量产。

非挥发性存储器颠覆嵌入式应用系统

以电阻值变动原理的非挥发性存储器技术－称之为ReRAM (Resistive RAM电阻存储器)，另一种则是相变存储器(Phase Change Memory；PCM)。ReRAM/PCM等非挥发性存储器，其市场定位在介于DRAM与NAND Flash之间。Sony和Micron经过多年研发，日前公布一款采27nm CMOS制程的16Gb(2GB) ReRAM芯片，其实际读取、写入效能达900MB/s、180MB/s，比NAND Flash还快的写入速度；而且具备一千亿至一万亿次的抹写耐用度，是目前SLC Flash的百万倍。

PCM/ReRAM等新型态NVM，可适用于一些速度不要求快(200MHz~1GHz)的嵌入式应用系统，像无线传感、工业自动化控制机台╱HMI人机界面控制面板，以及当前颇夯的穿戴式装置等等。

ReRAM的读取速度已经相当逼近于当前的DRAM，不仅可以取代当前的DDR/DDR2 SDRAM，甚至以这种使用ReRAM存储器芯片所设计的嵌入式系统，不再需要储存装置或芯片的设计。台大曾针对NVM非挥发性存储器取代DRAM等议题的学术研究，像是零查找的虚拟存储器管理技术、PCM/ReRAM存取次数矩阵化排序置换法则，及服务器所需的最小写入索引化与封包╱快取化技术等研究，使PCM/ReRAM等NVM的平均抹写次数能够优化，达到提升系统寿命、耐用度且兼顾运作效能。