NV和NVM存储器的未来发展趋势

每一个处理器都需要存储器。一些系统可能只采用一种存储器，但更常见的情况是采用一种分层式存储系统，如服务器的RAID存储系统（图1）。每种存储器都为系统做出不同的贡献，如大容量、快速存取、或非易失性。



随着新技术的出现以及现有技术的改善，这一存储器组合也在发生变化。以前闻所未闻的现在已成标配。例如，上网本现只配备固态存储器，由于固态存储器的功耗更低，因此上网本具有更长的电池寿命。

对更大容量存储器的诉求要求进行权衡取舍和采用不同的实现方法。例如，多级单元(MLC)闪存能提供比单级单元(SLC)闪存更大的容量，但代价是性能和硬件寿命。

同样，硬盘尺寸正在减小。2.5英寸硬盘与老式、全高度的5.25英寸硬盘相比是一个巨大的进步，而且2.5英寸硬盘的容量更大、响应速度也更快。为了提供更可靠的存储，RAID也获得了更广泛使用。

不要忘记RAM

RAM是商业计算设备的中心。目前，通常是易失性存储器SRAM和DRAM在取代非易失性的磁芯存储器。不过，像铁电存储器(FeRAM)和磁性RAM(MRAM)等新的非易失性存储技术有望改变这一局面。

独.立SRAM芯片仍在使用，但大多数SRAM通常已集成到微控制器芯片上，提供从文件寄存器到多级缓存的不同功能。SRAM的主要优势是高性能，但其不足是芯片面积很大.和功耗较高。

DRAM 使事情变得更有趣。片上DRAM 正变得越来越常见，虽然实现DRAM和逻辑的不同半导体技术倾向于把DRAM 和逻辑做成两个独立芯片。另外，DRAM的更高容量使设计师倾向于把DRAM拿到处理器芯片之外。其结果是，设计师可以选择提供多大容量，或者最终用户甚至可以添加自己的存储器。

嵌入式设计师在选择DRAM时会面临很多其它挑战，这是因为所使用的微处理器在性能特点上有很大的差异，如同DRAM一样。嵌入式设计师还需要考虑产品生命周期，因为PC用户在选择存储器时，倾向于追求最新的、最好的、以及每位成本最低的存储器。虚拟化的趋势正在推动对更高密度存储器的需求，从而兑现了那句格言：存储器永远不够用。

SDRAM在低端应用中得到了广泛的采用，至少在嵌入式应用中。SDRAM一直货源充足和价格低廉，目前它的一个主要优点是简单的接口要求。与今天大量PC系统使用的DDR2和DDR3存储器相比，SDRAM较慢的速度对设计师而言是一种优势，特别是当试图与较慢的处理器匹配时。与DDR2和DDR3相比，SDRAM的两大不足之处是容量和效率。

微处理器设计师正碰到的另一个问题是速度。提升速度上限通常意味着同时提升了下限。当与AMD、英特尔和威盛(VIA)等开发的最新x86 GHz多核处理器搭配时，这不是个问题，但当试图支持200MHz处理器时，问题就来了。

当然，可以提升处理器时钟，但这相应地会增加成本和功耗。而这二个指标绝对是我们千方百计要竭力降低的。几乎所有的微控制器(MCU)都可以搭配SDRAM。有些MCU可以搭配DDR2，但很少的MCU能够应付DDR3的高速度。

DDR2 目前的需求最旺。它广泛应用于服务器、PC和笔记本电脑，但这些产品正在迅速转向DDR3。在今后一个时期内，尽管DDR2的供应量开始下降和价格开始攀升，但DDR2仍将受到嵌入式系统的宠爱。这不会一夜之间发生，但这是发展趋势。嵌入式市场的挑战是如何让低端MCU满足DDR2的性能要求。

三星新推出的16GB DDR3主要针对服务器主板，它通常设计成只支持DDR3存储器（图2）。当使用这些新模块时，服务器主板可以支持192GB容量的DDR3，传输速率可达1333 Mbps，且功耗比DDR2减少了60％。许多高端主板拥有能同时支持DDR2或DDR3的芯片组。仅支持DDR3的芯片组通常更小和更高效。



Innovative Silicon正在开发之中的Z-RAM单晶体管存储技术比现有的DRAM技术具有更好的扩展性和更小的芯片面积。Hynix和AMD公司都已经获得了使用Z-RAM技术的授权，但它们的应用目标不同。Hynix可能将其集成进它的主要存储器中，而AMD希望将它用作大容量片上L3缓存。Z-RAM可能不会在一年左右的时间内面世，但当它出现时，将会对市场产生显著影响。

串口存储器也正在开发之中，它的设计目的是将高速串行接口引入到存储器。理论上，它将能把存储器所需的引脚数减少40％，以及提供3.2至12.6GBps的吞吐量。它最初的应用目标是多媒体移动设备，这类应用的PCB空间非常紧张，而且要求功耗必须尽量低。

NV固态存储器

DRAM是易失性的，但非易失性(NV)存储器永远是系统解决方案的一部分。近年来，非易失性固态存储器已经发生了巨大的变化，容量在提升，成本在下降。目前，很多非易失性存储器已得到普遍应用，从闪存到MRAM再到FRAM。

ROM是众所周知的非易失性存储技术，在标准微控制器中更受青睐。由于ROM是最高效的非易失性存储技术，因此它一直在定制芯片中占有一席之地。遗憾的是，ROM中的内容不能像在本文中论及的其他非易失存储技术那样被改变。

ROM 应用的一个例子是Luminary Micro的LM3S9000微控制器，它具有提供StellarisWare库服务的运行时库。它与典型的基于ROM的定制微控制器不同，后者包含整个应用。在Luminary Micro的MCU中，使用ROM代码的主应用被存放在使用另一种非易失性存储器中。该ROM可能只包含引导代码，它允许主应用代码来自不同的源，包括来自网络。

闪存可覆盖到很多种解决方案。FRAM与MRAM具有类似特性，它们的前景非常光明，目前主要用于重要的缝隙应用中。

这些非易失性存储器可有效地取代SRAM，因为它们具有与SRAM一样的工作速度，而且它们没有闪存面临的写次数限制问题。这使得它们能用作初级和次级存储器。它们的容量在增大，成本在下降，尽管仍落后于SRAM和闪存。这导致了一些有趣的组合，如前面提到的RAID控制器。



FeRAM 供应商Ramtron推出的基于8051的VRS51L3x.x.x微控制器系列整合了64kB闪存、4kB SRAM和高达8kB的FeRAM（图3）。闪存用于存储程序代码和长期使用的、改变频率不大的数据，SRAM和FeRAM用于存储读/写数据，其中 FeRAM用于存储要求非易失性的数据。

FeRAM和MRAM还推出了可取代SRAM和闪存的引脚兼容性型号。 Everspin的MR2Axx MRAM产品线与标准的8和16位SRAM器件管脚兼容。这些器件还提供具有35ns读/写速度和扩展工业温度范围的BGA封装。Everspin高达 512kB MRAM器件已应用于Emerson Network Power公司的基于飞思卡尔MPC864xD的MVME7100单板计算机中（图4）。预计Everspin今年底还将推出16Mb MRAM和汽车级的MRAM器件。



Numonyx的相变存储器(PCM)也即将推出。与Z-RAM一样，它也必须挑战现有的品牌技术。但它一旦推出来，它的性能和可扩展性优势有望使得其它竞争技术相形见绌。但它还需要几年时间才能出来，因此让我们密切保持关注吧。