不同儲存技術的發展與實務應用

DDR SDRAM為系統記憶體應用主流

前言：
只要是運算裝置，就需要具備儲存系統，依據不同讀/寫或傳輸需求，而有了不同規格、原理與元件材質的儲存媒材設計，而不管是伺服主機還是筆記型電腦，甚至是針對行動用途開發的MID或行動電話，雖然有儲存選用元件上的差異，但亦免不了需要儲存系統輔助應用，而現有儲存技術發展日新月異，可用的解決方案分別針對功耗、效能目的而有不同的解決方案...

本文：
每一套電腦系統，下至行動電話，大到伺服主機，都需要有一組儲存系統搭配運行，以桌上型電腦、筆記型電腦等產品為例，會針對系統架構中不同的傳輸效能的需求差異，應用適合的儲存解決方案，例如資料變更極少的BIOS資料儲存，因為變動不大、也不希望常常被更改或資料消失，多數採ROM、Flash Memory架構解決資料備存與讀取需求，而必須面對繁複運算的環節，則導入DRAM或是SRAM，至於介於需長時間儲存、記憶的存取需求，就可靠HDD或新興的SSD裝置滿足應用所需。

再來看伺服主機所需的儲存需求中，就需具備大容量儲存空間與容錯功能設計，此時，就必須透過RAID(Redundant Array of Independent Disks)這類儲存系統因應，而不同的儲存裝置或元件，都能對一個運行的系統架構發揮其元件特性，例如，硬碟仍為目前大容量儲存的高性/價比首選，而SRAM、DDR2/DDR3 SDRAM則適用高速需求的存取應用環境。

串列傳輸逐漸取代並列設計

儲存裝置的連接技術，為達到簡化設計目的改行串列式的資料傳輸架構，已成為設計主流，舊的並列式設計架構在於訊號線增加、傳輸功耗、容易受干擾與電路面積較大等限制，相關設計已經有逐漸降低的趨勢。

在消費性產品的外接應用方面，外接式SATA(eSATA)用量越來越高，多數應用產品也以此類連接器為主要安裝方式，在外接介面部份，USB 3.0可滿足更高資料吞吐量的巨量傳輸應用需求出現，但目前短期內USB 3.0的相關應用仍屬少數，多會以硬碟裝置或SSD裝置應用為主，相關外接需求仍以高速USB 2.0 480 Mbps傳輸速率應用為主。 至於商業用途的外接解決方案，SAS和Fibre Channel(光纖傳輸)在企業級儲存市場應用益形普遍。

HDD具大容量儲存優勢 SSD在中/小容量應用嶄露頭角

在大容量應用市場中，目前硬碟仍為主流應用，在功耗、單位容量成本、應用有不可取代的優勢。目前熱門的SSD，成本仍不及HDD表現優異，但其高效能特性成為大容量儲存解決方案受歡迎的選擇。

此外，討論HDD不可忽視SSD固態硬碟的發展趨勢，目前SSD幾乎已完全取代微型硬碟的市場，為部分Netbook減省製作成本的儲存解決方案之一，目前雖大容量成本仍高，但在中/低容量的市場正侵蝕2.5吋筆記型電腦用硬碟市佔。因為SSD不受機械架構限制，讓SSD擁有更多外在構型彈性，另SSD可以不遵循常規方形硬碟構型，用堆疊或是其他變化達到適應硬體特殊設計目的，而硬碟機則無法因應此設計需求。

快閃記憶體提供便捷儲存應用

Flash Memory快閃記憶體，是目前業界使用相當廣泛的成熟儲存技術，多數模組化的快閃記憶體產品，都已經將快閃記憶體與讀/寫控制器直接整合，提供系統開發時更簡化的設計支援。模組化的快閃記憶體，面對應用環境不同，也有不同的設計格式，例如CF記憶卡、SD/xD、MiniSD或採USB隨身碟模式製作。

嵌入式系統應用而言，目前工業級應用的CF記憶卡，已可支援雙通道操作高讀/寫效能支援，而不少嵌入式系統若對讀/寫效能要求不高，甚至可以看到採SD記憶卡或一般CF記憶卡的架構方式。對穩定度要求相對較高的嵌入式應用，工業用水準的快閃記憶體另有相當多元的選擇，如採PCIe、SATA或IDE介面的DOM記憶卡，或是特殊的連接設計，這類快閃記憶體不但可以用以架構嵌入式系統的作業環境，其讀/寫特性亦可完全取代系統的硬碟設置，讓嵌入式系統大幅簡化系統設計。

對比其它儲存技術，目前主流快閃記憶體技術會因為其儲存元件架構而影響性能或特性表現。多數系統架構的考量基準，會著眼於核心元件特性表現，再來討論是否對於系統架構中發揮其應用價值，例如，NAND型快閃記憶體元件的單位資料抹除速度為2ms，反觀NOR型快閃記憶體元件抹除資料虛耗時900ms，效能差異大。再從容量的角度來觀察，NOR型Flash Memory的容量是NAND 型Flash Memory的4倍，而兩者的容量差距仍不斷拉大中！

SLC和MLC架構上的差異，也與NOR或NAND的討論有類似限制需考量，目前在MLC Flash Memory技術方面，製成的Flash Memory具更高密度特性，但另一方面，其可支援寫入次數就相對少許多，影響產品壽命。

SDRAM 仍為系統記憶體應用為主

RAM(Random Access Memory)一直電腦設備的核心儲存元件，為揮發性儲存元件DRAM(Dynamic Random Access Memory)，用以取代早期的磁芯儲存元件，但這個應用狀況，也可能被目前發展中的 FeRAM(Ferroelectric RAM)或磁阻記憶體(Magnetoresistive Random Access Memory；MRAM)等新一代非揮發性記憶體儲存技術取代，但目前主流應用仍以DRAM、SDRAM為主。

SDRAM一直是在性/價比相當高的系統記憶體，今日電腦系統大量使用DDR2、DDR3 SDRAM，SDRAM在傳輸速度相對較慢，但也因為如此，在系統中想將SDRAM與高頻運作的處理器搭配整合時，在設計難度上也相對較低。

SRAM為高效能特殊應用

SRAM(Static Random Access Memory)多半應用於需要高速存取的環境中，例如，處理器內的快取記憶體、硬碟連接介面的Buffer，或是網通設備的存取應用。除在高速網通設備大量應用SRAM優勢外，另一個大量使用的狀況就是處理器的快取記憶體。

SRAM特性為速度快、效能高，但單位成本卻是不便宜，因為其應用目的在提升介面或提高傳輸的效能，等於是用錢買速度，至於容量，則在系統設計中必須針對資料特性與應用條件，進行最佳化的評估與設置，並非容量越大越好，即便SRAM大到一個程度，若系統資料處理量未達到運作瓶頸，硬是提升SRAM的容量也只會徒增閒置記憶體的元件成本。

極具潛力的FeRAM和MRAM

觀察快閃記憶體的元件特性會發現， FeRAM和MRAM也具備近似的特質，可應用的相關解決方案特性差異不大，雖然目前應用於實際設計並不多見，但未來發展仍值得持續觀察。

FeRAM和MRAM這類非揮發性記憶體，其儲存元件可以具備接近SRAM的應用效益，而且FeRAM和MRAM沒有Flash Memory必須面對的寫入次數限制的壽命問題，這些特性讓FeRAM和MRAM在用於初階或次級儲存系統應用時，若不考量成本因素，也是值得導入的應用技術，但目前成本仍相當高。FeRAM和MRAM目前的問題在於實作的容量，與量產的效能、良率問題，FeRAM和MRAM雖然容量不斷持續提升、製造成本也不斷下探，但現階段仍未能達到取代SRAM與Flash Memory的應用效益。

雖然FeRAM仍在發展初期，由於其元件特性，相關業者也發展出部分特殊應用組合，例如FeRAM供應商Ramtron就有推出基於8051單晶片系列微控制器，其架構即整合64kByte快閃記憶體與4kByte SRAM，其架構還包含內建8kByte的FeRAM。在此產品案例中，快閃記憶體是用做儲存程式碼或較少變更的系統資料，SRAM和FeRAM搭配式用以處理系統運作的讀/寫資料，而因為FeRAM有非揮發性記憶體特質，更可用於系統關閉下仍需要儲存運行資料的應用場合，提供較SRAM更大的使用彈性。