儲存技術發展與實務應用

SSD朝大容量設計不斷邁進。SAMSUNG

前言：不管是伺服主機還是筆記型電腦，甚至針對行動用途開發的MID或行動電話，只要牽涉到運算用途，就免不了需要儲存系統輔助應用，而現有的儲存技術發展日新月異，可用的解決方案分別針對功耗、效能等不同面向，而有不同的元件或儲存系統效能差異...

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每一套運算系統，都需要儲存系統搭配，多數應用架構如桌上型電腦、筆記型電腦，會將儲存系統針對應用條件差異，而有不同的選擇要求，例如，資料變更極少的BIOS系統，多採ROM、Flash Memory架構，而動態變更應付繁複運算的部分，則採DRAM或是SRAM，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。

多數系統架構可能只採行單一儲存系統，但最常見的應用場合，是如同前述，採針對應用架構中的不同條件要求，所搭配的分層式儲存系統，用以滿足整體系統運行架構所需，例如，伺服器所需大容量儲存空間與容錯功能設計，就必須透過RAID(Redundant Array of Independent Disks)這類儲存系統因應需求，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。

高效能SRAM的發展趨勢

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。

介於SRAM與DRAM的Z-RAM

Z-RAM(Zero capacitor RAM)是一種資料存取密度較DRAM還高，存取速度也較DRAM還快的記憶體技術，但要成就Z-RAM的元件要求，先決條件必須元件採矽絕緣(Silicon On Insulator；SOI)晶片製程才能實現的記憶體技術，目前AMD所推出的CPU產品，多數已採SOI製程，2007年1月AMD向Innovative Silicon Inc.取得Z-RAM生產技術授權。

在ISi單方面曾宣稱，Z-RAM在實驗室的效能測試，已可達到近似6T SRAM的讀寫效能表現，讓Z-RAM未來取代SRAM的可能性大幅提升，而一旦Z-RAM成功搶占SRAM的地位，SRAM的應用條件將可能被Z-RAM所取代。加上Z-RAM的每一個記憶位元，僅以1個電晶體就能實現功能，這相較於SRAM的單一儲存位元需採4或6個電晶體來實現，Z-RAM則可達到大量節省晶片內的電路空間。

甚至於相較DRAM，單一Cell為透過1個電晶體搭配1個電容來實踐電路，反觀Z-RAM雖結構上也是和DRAM類似，但其電容是透過SOI製程的絕緣層的電容效應實現，等於是較DRAM更省下1個電容的等效電路，兩相比較下，Z-RAM在整體運作功耗，均可達到比SRAM或DRAM更省電的層次。

在應用開發的前提下，Z-RAM的元件雖然沒有辦法做到比SRAM表現還要快，但Z-RAM卻較SRAM更具備資料儲存密度的優勢，尤其其資料儲存密度可以做到比DRAM還高，加上讀寫效能表現也比DRAM來得更快，取代SRAM成為Buffer或快取記憶體的潛力相當大，未來發展性值得持續關注。

而觀察Z-RAM只要可以用於快取用途，Z-RAM則具備量的優勢，即便效能可能略遜於SRAM，但光靠更高的容量即可大幅提升快取擊中率，透過更顯著的快取擊中率表現來補足元件本身的傳輸效能瓶頸限制。在Z-RAM的應用價值直逼SRAM的狀況下，SARM看似發展受限其實也倒未必，因為SRAM的時脈不斷提升，造成CPU內的快取記憶體，仍多半持續沿用SRAM實現。

SDRAM仍為系統主記憶體不敗應用

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。

非揮發性記憶體應用

DRAM是揮發性的記憶體，反觀非揮發性(Non-volatile；NV)記憶體的應用領域，雖在效能或是儲存的單位成本沒有特別突出表現，但也因為其儲存元件特性差異，讓ROM(Read-Only Memory)一直是系統設計中或是可用儲存解決方案一直存在的元件。

ROM以往是非揮發性記憶體的儲存技術主流，而ROM在早期屬於高效率的非揮發性記憶體技術，加上具備無法更改的特性，在客製化晶片這類特殊應用中，一直佔有相當大的應用市場。

但在ROM的角色方面，其實在最近的發展卻可能被其他應用取代。因為以往使用大宗的ROM元件，目前新式的非揮發性記憶體技術，例如Flash Memory、MRAM或FRAM，在技術上與實用性已有長足進步，加上較ROM更具備可重複寫入更改資料優勢，讓ROM的應用地位不斷被削弱，例如，原本大量使用ROM儲存核心系統資料的嵌入式系統架構，大多改採Flash Momory取代原有應用，不僅容量大幅提升，成本亦不斷下滑，甚至使用彈性亦較以往更大。

FeRAM和MRAM

觀察快閃記憶體的元件特性會發現， FeRAM和MRAM也有近似的特質，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，其儲存元件可以達到接近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。FeRAM和MRAM目前的問題在於實作的容量，與量產的效能，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。

快閃記憶體

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、MicroSD、Memory Stick或採USB隨身碟模式製作。以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或達到30MB/s寫入操作效能支援，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。

而對穩定度要求相對較高的嵌入式應用，其實在工業用水準的快閃記憶體另有相當多元的選擇，例如，採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。

NOR或NAND？ SLC還是MLC？

對比其它儲存技術，其實目前主流快閃記憶體儲存技術，往往會因為其儲存元件的架構而影響期性能或特性表現。例如，在選擇NAND或是NOR形式的快閃記憶體或是選擇SLC或MLC架構，如何在成本、效能、壽命等要求下，做出最佳化的元件選擇。

多數系統架構的考量基準，會著眼於核心元件的特性表現，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，效能上的差異相當大。但再從容量的角度來觀察，NOR型Flash Memory的容量是NAND 型Flash Memory的4倍左右，而且兩者的容量差距仍不斷提升！評估應用的基準不能僅從單方面考量，而需全面性的思考。

相同的，SLC和MLC架構上的差異，也與NOR或NAND的討論有類似的狀況發生，目前在MLC Flash Memory技術方面，製成的Flash Memory具有更高密度特性(即單位儲存容量更大)，但另一方面，其可支援寫入次數就相對少許多(產品壽命較短)。

而在類似快閃記憶體技術，都會呈現不同的優、缺點表現，這也讓多數業者對於新一代的MRAM或FRAM這類新穎的替代技術，抱持更多想像空間。若MRAM或FRAM技術在市場上已足以提供近似的成本價格，或容量、效能表現，雖然目前MRAM或FRAM技術均未成氣候，但若一旦技術成熟，Flash Memory元件的市場也將呈現巨幅轉變。

大容量儲存需求 HDD仍佔有容量的絕對優勢

在大容量應用市場中，目前硬碟仍是主流應用，因其在功耗、單位容量成本、應用多方面，仍有不可取代的優勢。至於，目前熱門的SSD，雖在成本上仍不及HDD表現優異，但其大容量設計與高效能特性，也成為大容量儲存解決方案相當受歡迎的選擇。

在市場表現方面，目前SSD已完全取代微型硬碟的市場，目前也逐漸侵蝕2.5吋筆記型電腦用硬碟的市場，例如1.8吋已慢慢被SSD所取代。因為SSD不需受機械架構的限制，也讓SSD擁有更多外在構型的製作彈性，SSD可以不用遵循常規方形硬碟設計構型，可以用堆疊或是其他變化，達到適應硬體的特殊設計目的，反觀硬碟機則對構型完全無法因應此設計需求。即便SSD優勢相當多，但若對比容量差距，SSD仍遠遠落後硬碟機。

串列傳輸成為儲存裝置的應用主流

不管是電腦系統或是嵌入式系統設計，目前在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，而舊有的並列式設計架構，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，相關設計已經越來越少。

在消費性的外接應用方面，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，在外接界面部份，USB 3.0以滿足更高資料吞吐量的應用需求出現，但短期內USB 3.0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。