閃存的一些基本概念及其技術融合趨勢[圖]

　　三星OneNAND技術

　　OneNAND結合了NAND存儲密度高、寫入速度快和NOR讀取速度快的優點，整體性能完全超越常規的NAND和NOR。除了下一代移動電話外，OneNAND面向的市場還包括數字電視、嵌入式設備、數碼相機、便攜GPS設備等等，不過三星並不是希望它快速取代傳統的NAND，而是將其作為NOR的競爭者。在具體實現上，OneNAND其實並不復雜，三星並不是采用另起爐灶的方式來設計它，而是巧妙地將NAND與NOR的結構融為一體。OneNAND采用NAND邏輯結構的存儲內核和NOR的控制接口，並直接在系統內整合一定容量SRAM靜態隨即存儲器作為高速緩衝區。這樣，OneNAND就可以在容量指標上與NAND閃存靠攏，目前它的最高密度指標達到4Gb，雖然在容量上略不如NAND但比NOR閃存要高出許多。為滿足不同層次的需求，三星還推出包括512Mb、1Gb和2Gb的多種容量供選擇。

　　圖2三星OneNAND閃存的邏輯構成

　　OneNAND的特點

　　NAND內核並不具備本地執行代碼(XIP)的能力，但這項功能對各種需要快速程序運行終端設備來說非常重要。三星作出的解決辦法就是依靠高速SRAM緩存—在存儲器家族中，SRAM(靜態隨機存儲器)的讀寫速度最快，CPU內的L1 Cache和L2 Cache采用的就是SRAM邏輯，可具備與CPU等速運行的能力。當OneNAND執行程序時，代碼必須從OneNAND存儲核心載入到SRAM，然後在SRAM上執行。由於SRAM的速度優勢，數據載入動作幾乎可以在瞬間完成，用戶感覺不到遲滯現象，加上SRAM被直接封裝在OneNAND芯片內部，外界看起來就好像是OneNAND也具備程序的本地執行功能。這種工作模式非常巧妙，並可收到與NOR相同的效果，但缺點是SRAM邏輯的晶體管利用效率非常低，無法實現較大的容量，三星在OneNAND中只是集成1KB容量的SRAM，因此OneNAND暫時只支持1KB代碼長度的XIP—在這方面，OneNAND顯然還無法與NOR閃存相媲美。

　　不過，OneNAND的讀寫性能相當出眾，三星最新的OneNAND產品擁有高達108MBps的數據讀取帶寬，這已達到與NOR閃存相當的水准—這個速度也遠遠超過了現在的7200轉桌面硬盤。相比之下，常規NAND閃存的讀取性能只有區區17MBps，兩者存在巨大的性能差異。其次，OneNAND的數據寫入速度達到9.3MBps，雖然遠遠不如108MBps的讀取速度，但相比NAND閃存的6.8MBps也已經有長足的進步了。與之形成鮮明對比的是，NOR閃存的寫入速度只有可憐的0.14MBps，幾乎稱得上是慢如蝸牛。在數據擦除方面，OneNAND與NAND的指標相同，都達到64MBps，而NOR閃存更只有區區0.11MBps，與前兩者完全無法相比。從性能角度來看，OneNAND無論讀、寫還是擦除都明顯凌駕於NAND之上，NOR在寫入/擦除方面的性能與之根本不具可比性，對嵌入式設備廠商來說，選擇簡單的OneNAND來代替NOR+NAND組合的方案是非常可行的。

　　由於OneNAND采用與NAND相同的存儲內核，它也會遭遇存儲壞塊的問題。如果只是用在數據存儲，這個問題似乎沒什麼大不了，但OneNAND必須用於系統代碼的裝載和執行，一旦出現存儲壞區且該區正在執行代碼訪問，造成的後果便是設備死機或者關機，這其實也是NAND進入NOR應用領域的主要障礙。為了解決這個難題，三星公司為OneNAND閃存量身定做了一款名為『Datalight OneBoot』的嵌入式控制軟件。Datalight OneBoot具有高度靈活的特性，可被簡單地整合到各種類型的嵌入式系統中。在實際運行時，OneBoot允許設備像使用硬盤一樣來調用OneNAND資源，讀寫操作的具體算法由OneBoot在底層直接實現。而在關鍵的壞塊管理上，OneBoot通過實時掃描、瞬間屏蔽的方式來隱藏壞塊。掃描工作一般在系統閑置時進行，如果OneBoot檢測到存儲區的某處存在壞塊，那麼OneBoot就對該區域作上標注，將壞塊屏蔽起來，這樣代碼運行或數據讀寫時就不會訪問到這個區域，保證系統運行及個人數據存儲的可靠性。這種機制非常有效，往往是壞塊剛剛產生就被OneBoot檢測到並屏蔽，沒有什麼機會被程序或用戶所訪問。因此盡管OneNAND仍在物理上具備類似NAND的不可靠性缺陷，但三星的OneBoot嵌入式控制軟件在很大程度上可以將之消除，該套系統的可靠性完全可以同搭載NOR閃存的系統相媲美。為了讓OneNAND能進入更多領域，三星還在OneBoot基礎上發展出增強的『OneBoot+File』技術，後者除了具備OneBoot所有的功能特性外，還能夠明顯加快系統的啟動速度。OneBoot+File的啟動加速技術有些類似於計算機的『休眠』，它在運行時可以自動保存系統的工作狀態，在下一次啟動時直接從該狀態恢復。三星表示，采用OneBoot+File控制軟件，系統的啟動速度可比常規方式快出88%，幾乎是即開即用。鑒於掌上設備日趨復雜化，軟件功能增加，啟動時間也相應延長，而選擇三星的OneNAND閃存與OneBoot+File控制軟件方案可很好緩解這些問題，這在智能手機、掌上電腦、高性能數碼相機等產品中尤其具有積極意義。

　　OneNAND的四套應用方案

　　為了讓OneNAND可進入多個領域，三星總共提出了四套不同的OneNAND應用架構，分別針對手機、數碼相機/數碼攝像機、數字電視/數字機頂盒以及大容量的硬盤MP3播放器，下面我們將分別對此進行分析。

　　手機平臺如前所述，現階段手機一般采用NOR＋NAND＋RAM的方式，由於NOR必須裝載系統軟件，需要使用較大的容量。引入OneNAND閃存之後，手機廠商可以先選擇NOR＋OneNAND＋RAM的混合模式，其中OneNAND可存放代碼運行的中間數據，這樣手機廠商就可以適當削減NOR閃存的容量以降低成本。等到時機成熟，手機廠商完全可以將NOR移除，構成由OneNAND+RAM的簡單方案。在這套系統中，OneNAND閃存既可以承擔系統程序運行職能，也將用於數據存儲，由於結構簡單，手機廠商可以實現產品的輕薄化並使成本得到有效控制。

　　數碼相機/數碼攝像機平臺現有的數碼相機/數碼攝像機產品的存儲系統一般由『NOR＋SDRAM＋NAND閃存卡』構成。NOR用於存放數碼相機/攝像機的嵌入式程序，用戶拍攝生成的照片或者視頻則必須存儲在專門的閃存卡中。如果廠商願意選擇OneNAND，那麼該平臺的存儲架構將變成『OneNAND+SDRAM』——OneNAND具有較大的容量，可在一定程度承擔起用戶數據存儲職能，廠商只要在產品設計一個閃存卡接口即可，如果用戶有擴展容量的需要，可自行到市面上購買相應標准的閃存卡。對數碼相機/攝像機廠商來說，采用OneNAND同樣可以降低產品的制造成本，而用戶也可具有更高的自主性，至少不必擔懮自己購買大容量閃存卡之後，原先標配的小容量閃存卡就派不上用場。

　　數字電視/機頂盒平臺該平臺目前多采用NOR＋DDR SDRAM存儲方案，NOR用於存儲嵌入式系統，DDR內存則用於裝載生成的數字電視圖像。廠商可以直接用OneNAND閃存來代替NOR。由於OneNAND有較大的容量，讀寫速度快，可以存放諸如節目列表、節目記錄以及用戶截取的電視圖像，廠商可以籍此提高產品的人性化功能，增強自身的競爭力。

　　硬盤MP3播放器iPod的全球流行引發MP3播放器的熱潮，尤其是擁有大容量硬盤的產品更是受到廣大用戶的青睞。目前硬盤MP3播放器多采用『小容量NOR＋DRAM＋硬盤』的存儲方案，NOR只能用於存放播放器的操作系統軟件，而DRAM必須在暫存程序數據的同時，存放用戶的音樂文件列表。由於DRAM無法在掉電狀態下保存數據，因此為了保存用戶的音樂文件列表就必須對DRAM作不斷的刷新，且要求DRAM具有較高的容量。這些因素都將導致系統能耗提昇，電池使用時間縮短。如果廠商以大容量的OneNAND來代替NOR，那麼音樂文件列表就可以被存放在OneNAND閃存中，DRAM的工作負荷大大減輕，對容量要求也不那麼嚴格，該部分的能耗就可被有效降低。三星詳細列出這兩種方案的能耗對比：在NOR＋DRAM的傳統組合中，DRAM(512Mb)要求有200uA的電流供應，而在OneNAND+DRAM的新方案中，DRAM(只需64Mb)系統只要求90uA的電流，後者在整體上明顯要更為節能。

　　圖3 OneNAND取代NOR在手機平臺中的應用

　　圖4 OneNAND取代NOR在數碼相機/攝像機平臺中的應用

　　圖5 OneNAND取代NOR在數字電視/機頂盒中的應用

　　圖6 OneNAND取代NOR在硬盤MP3播放器中的應用