每一個處理器都需要存儲器。一些系統可能只采用一種存儲器，但更常見的情況是采用一種分層式存儲系統，如服務器的RAID存儲系統（圖1）。每種存儲器都為系統做出不同的貢獻，如大容量、快速存取、或非易失性。
隨著新技術的出現以及現有技術的改善，這一存儲器組合也在發生變化。以前聞所未聞的現在已成標配。例如，上網本現只配備固態存儲器，由于固態存儲器的功耗更低，因此上網本具有更長的電池壽命。 對更大容量存儲器的訴求要求進行權衡取舍和采用不同的實現方法。例如，多級單元(MLC)閃存能提供比單級單元(SLC)閃存更大的容量，但代價是性能和硬件壽命。 同樣，硬盤尺寸正在減小。2.5英寸硬盤與老式、全高度的5.25英寸硬盤相比是一個巨大的進步，而且2.5英寸硬盤的容量更大、響應速度也更快。為了提供更可靠的存儲，RAID也獲得了更廣泛使用。 不要忘記RAM RAM是商業計算設備的中心。目前，通常是易失性存儲器SRAM和DRAM在取代非易失性的磁芯存儲器。不過，像鐵電存儲器(FeRAM)和磁性RAM(MRAM)等新的非易失性存儲技術有望改變這一局面。 獨.立SRAM芯片仍在使用，但大多數SRAM通常已集成到微控制器芯片上，提供從文件寄存器到多級緩存的不同功能。SRAM的主要優勢是高性能，但其不足是芯片面積很大.和功耗較高。 DRAM 使事情變得更有趣。片上DRAM 正變得越來越常見，雖然實現DRAM和邏輯的不同半導體技術傾向于把DRAM 和邏輯做成兩個獨立芯片。另外，DRAM的更高容量使設計師傾向于把DRAM拿到處理器芯片之外。其結果是，設計師可以選擇提供多大容量，或者最終用戶甚至可以添加自己的存儲器。 嵌入式設計師在選擇DRAM時會面臨很多其它挑戰，這是因為所使用的微處理器在性能特點上有很大的差異，如同DRAM一樣。嵌入式設計師還需要考慮產品生命周期，因為PC用戶在選擇存儲器時，傾向于追求最新的、最好的、以及每位成本最低的存儲器。虛擬化的趨勢正在推動對更高密度存儲器的需求，從而兌現了那句格言：存儲器永遠不夠用。 SDRAM在低端應用中得到了廣泛的采用，至少在嵌入式應用中。SDRAM一直貨源充足和價格低廉，目前它的一個主要優點是簡單的接口要求。與今天大量PC系統使用的DDR2和DDR3存儲器相比，SDRAM較慢的速度對設計師而言是一種優勢，特別是當試圖與較慢的處理器匹配時。與DDR2和DDR3相比，SDRAM的兩大不足之處是容量和效率。 微處理器設計師正碰到的另一個問題是速度。提升速度上限通常意味著同時提升了下限。當與AMD、英特爾和威盛(VIA)等開發的最新x86 GHz多核處理器搭配時，這不是個問題，但當試圖支持200MHz處理器時，問題就來了。 當然，可以提升處理器時鐘，但這相應地會增加成本和功耗。而這二個指標絕對是我們千方百計要竭力降低的。幾乎所有的微控制器(MCU)都可以搭配SDRAM。有些MCU可以搭配DDR2，但很少的MCU能夠應付DDR3的高速度。 DDR2 目前的需求最旺。它廣泛應用于服務器、PC和筆記本電腦，但這些產品正在迅速轉向DDR3。在今后一個時期內，盡管DDR2的供應量開始下降和價格開始攀升，但DDR2仍將受到嵌入式系統的寵愛。這不會一夜之間發生，但這是發展趨勢。嵌入式市場的挑戰是如何讓低端MCU滿足DDR2的性能要求。 三星新推出的16GB DDR3主要針對服務器主板，它通常設計成只支持DDR3存儲器（圖2）。當使用這些新模塊時，服務器主板可以支持192GB容量的DDR3，傳輸速率可達1333 Mbps，且功耗比DDR2減少了60％。許多高端主板擁有能同時支持DDR2或DDR3的芯片組。僅支持DDR3的芯片組通常更小和更高效。
Innovative Silicon正在開發之中的Z-RAM單晶體管存儲技術比現有的DRAM技術具有更好的擴展性和更小的芯片面積。Hynix和AMD公司都已經獲得了使用Z-RAM技術的授權，但它們的應用目標不同。Hynix可能將其集成進它的主要存儲器中，而AMD希望將它用作大容量片上L3緩存。Z-RAM可能不會在一年左右的時間內面世，但當它出現時，將會對市場產生顯著影響。 串口存儲器也正在開發之中，它的設計目的是將高速串行接口引入到存儲器。理論上，它將能把存儲器所需的引腳數減少40％，以及提供3.2至12.6GBps的吞吐量。它最初的應用目標是多媒體移動設備，這類應用的PCB空間非常緊張，而且要求功耗必須盡量低。 NV固態存儲器 DRAM是易失性的，但非易失性(NV)存儲器永遠是系統解決方案的一部分。近年來，非易失性固態存儲器已經發生了巨大的變化，容量在提升，成本在下降。目前，很多非易失性存儲器已得到普遍應用，從閃存到MRAM再到FRAM。 ROM是眾所周知的非易失性存儲技術，在標準微控制器中更受青睞。由于ROM是最高效的非易失性存儲技術，因此它一直在定制芯片中占有一席之地。遺憾的是，ROM中的內容不能像在本文中論及的其他非易失存儲技術那樣被改變。 ROM 應用的一個例子是Luminary Micro的LM3S9000微控制器，它具有提供StellarisWare庫服務的運行時庫。它與典型的基于ROM的定制微控制器不同，后者包含整個應用。在Luminary Micro的MCU中，使用ROM代碼的主應用被存放在使用另一種非易失性存儲器中。該ROM可能只包含引導代碼，它允許主應用代碼來自不同的源，包括來自網絡。 閃存可覆蓋到很多種解決方案。FRAM與MRAM具有類似特性，它們的前景非常光明，目前主要用于重要的縫隙應用中。 這些非易失性存儲器可有效地取代SRAM，因為它們具有與SRAM一樣的工作速度，而且它們沒有閃存面臨的寫次數限制問題。這使得它們能用作初級和次級存儲器。它們的容量在增大，成本在下降，盡管仍落后于SRAM和閃存。這導致了一些有趣的組合，如前面提到的RAID控制器。
FeRAM 供應商Ramtron推出的基于8051的VRS51L3x.x.x微控制器系列整合了64kB閃存、4kB SRAM和高達8kB的FeRAM（圖3）。閃存用于存儲程序代碼和長期使用的、改變頻率不大的數據，SRAM和FeRAM用于存儲讀/寫數據，其中 FeRAM用于存儲要求非易失性的數據。 FeRAM和MRAM還推出了可取代SRAM和閃存的引腳兼容性型號。 Everspin的MR2Axx MRAM產品線與標準的8和16位SRAM器件管腳兼容。這些器件還提供具有35ns讀/寫速度和擴展工業溫度范圍的BGA封裝。Everspin高達 512kB MRAM器件已應用于Emerson Network Power公司的基于飛思卡爾MPC864xD的MVME7100單板計算機中（圖4）。預計Everspin今年底還將推出16Mb MRAM和汽車級的MRAM器件。
Numonyx的相變存儲器(PCM)也即將推出。與Z-RAM一樣，它也必須挑戰現有的品牌技術。但它一旦推出來，它的性能和可擴展性優勢有望使得其它競爭技術相形見絀。但它還需要幾年時間才能出來，因此讓我們密切保持關注吧。 閃存的未來 閃存是目前的成熟技術。大多數獨立閃存產品內的閃存具有比集成在MCU內的閃存更高的密度，這是因為集成在MCU中的閃存必須采用與實現邏輯電路相同的工藝。 獨立閃存也有不同的格式，從芯片到可接拆設備，諸如CF卡、SD/XD、MiniSD、MicroSD、記憶棒和USB盤。其中這些產品已用在嵌入式應用中，如WinSystems的16 GB工業級CF卡（圖5）。它的雙通道操作支持40MBps的持續讀傳輸速率和30MBps的寫操作速率。
嵌入式應用還有更多的選擇。可插入到IDE標識頭的模塊對硬盤來說是一個常見替代。最初，這些閃存的容量很小。不過，現在其容量已大大增加，從而使得這些閃存在許多應用中不僅能用于引導代碼存儲，而且還能完全替代硬盤。 Western Digital Solid State Storage(前身是Silicon Systems)是采用Small Form Factor (SFF) SIG Silicon Blade外形因子的閃存硬盤供應商。其Silicon Drive Blade具有鎖存功能且堅固耐用，是Western Digital Solid State Storage推出的10腳模塊的替代品（圖6）。它有多種供應渠道，可插入大多數PC主板上的10腳標識頭中。
相比其它技術選擇，閃存外形在決策時往往不是很重要。是NAND，還是NOR？是SLC，還是MLC？這些技術抉擇使設計師必須面臨一系列取舍權衡。沒有一種產品能滿足所有應用需求。事實上，在一些更苛刻的應用中，要采用多種閃存技術。 我們可從東芝產品的一些常用指標了解設計師必須做出哪些權衡。例如，NAND的擦除速度是2ms，而NOR是900ms。另一方面，NOR的容量是NAND 的4倍，可達到256 Mb，且還在不斷提升。當采用103MBps時鐘時，NOR的讀速率至少是NAND的4倍。但NOR的寫速率在0.5MBps水平，而SLC NAND的是8MBps。 SLC和MLC具有相似的權衡取舍。MLC具有更高密度，但寫次數要少得多。所有閃存技術都有局限性，這使得MRAM和FRAM等替代技術很搶.手。若MRAM和FRAM技術能以類似的價格提供接近或超過閃存的容量，那么存儲器市場的版圖將顯著改觀。遺憾的是，這不太可能在短期內出現。 這意味著損耗均衡技術正變得越來越重要，特別是考慮到MLC技術在這方面的局限，以及其明顯更大的容量。硬盤更換的目標期限是5年。雖然這對企業級方案足夠長了，但對生命周期更長的嵌入式應用來說，未必合適。這意味著設計人員必須要比以往留意更多的規格。 SandForce 的SF-1500 SSD控制器專為MLC閃存所設計（圖7），它可提供至少5年使用壽命、30k IOPS(每秒輸入/輸出數)的隨機讀/寫速率、以及250MBps的連續讀/寫操作速率。對硬盤來說，它相當于5k IOPS/W與20 IOPS/W之比。
SandForce采用的DuraClass技術也應用了獨立硅部件冗余陣列（RAISE），本質上是帶芯片的RAID。它與先進的動態損耗均衡和先進的糾錯編碼(ECC)支持相結合，允許SandForce支持的固態硬盤(SSD)達到企業級存儲對性能和壽命的要求。 替代技術將很難滿足這些要求，除非采取類似的方法來規避MLC閃存的局限性。例如，為保證5年使用壽命，許多替代技術強制規定了每天最多的寫次數。SandForce可在512GB、1.8英寸SSD內支持單片控制器方案。 海量存儲器 SSD是海量存儲解決方案的一種。SSD已經消滅了1英寸硬盤市場，并正在逐步增加其在1.8英寸、2.5 英寸甚至3.5英寸硬盤市場的份額。在外形方面，SSD也有很大差異性，它們不遵循常規的硬盤配置。這也是為什么SSD可很容易地放在電路板上，而硬盤卻難以做到這一點。 盡管如此，在所能達到的最大容量方面，SSD仍不及硬盤。從價格/千兆字節的角度，硬盤也是贏家。SSD取代硬盤的轉換點在不停移動，但這只是簡單地意味著設計人員和用戶可擁有更多選擇。 1.8英寸硬盤最受移動設備青睞。也正是在這里，消費者對閃存和硬盤之間的選擇變得更困難。雖然對設計師來說，這很容易，因為SSD和硬盤都可提供這種外形。（但價格和容量間的權衡依然存在。） 大多數動作發生在2.5英寸領域。它包括像富士通的500GB Handy Drive那樣的外接硬盤（圖8）。在幾個月以前，該容量還是3.5英寸硬盤的容量上限。
由于大量硬盤可容易地安裝在1U機架內，因此外形因子也已經顯著影響了服務器的設計。更重要的是，該數量大大超過了RAID配置的最低要求，從而促成了該控制器市場的增長。一個八驅動RAID系統已不再新奇。相反，它已成為一個標準選擇，而在高端存儲系統，甚至出現了更多驅動器。 與3.5英寸硬盤的容量比，2.5英寸仍是小巫見大巫。但對RAID系統來說，個頭大小并非一切，因對較小硬盤配置來說，其系統重建次數要更少。 不要忽略3.5英寸市場。像希捷的Barracuda LP硬盤就具有2TB的容量，它著眼的是滿足數字錄像機對視頻存儲的容量需求（圖9）。如果電影公司認可這種越來越大的存儲能力能給他們帶來機會，則 3.5英寸硬盤市場將會非常火爆。若果如此，3.5英寸硬盤很可能供不應求。
RAID 將繼續與3.5硬盤一起發揮作用，特別是在消費電子應用。但是，使用戶不了解這點很重要。可以很容易地解釋為什么要為消費者提供更大存儲容量，甚至也能說得通為什么要借助RAID減小容量、以改善可靠性。但要理解RAID 1和RAID 5的區別則是完全不同的另一碼事。 保持互聯性 若不提及互聯日益增長的重要性，則對存儲器的任何描述都是不完整的。對于以消費者為中心的產品和多種嵌入式應用來說，這意味著USB和SATA。USB是硬盤的間接接口，并有可能成為閃存驅動器的直接接口。 外接SATA或eSATA迅速出現在包括外接驅動器在內的許多產品中，但它將是補充而不是取代USB。USB 3.0將及時出現以滿足更高吞吐率驅動器的需求。盡管目前而言，高速USB 2.0以其480 Mbps的傳輸速率足以滿足要求。 SAS和Fibre Channel(光纖通道)將出現在企業級存儲市場。光纖通道系統往往包括SATA或SAS硬盤，且有可能或更可說最終也將把SSD包含在內。 就存儲來說，比以往任何時候都有更多的選擇，但做出選擇并非易事，因為存在多種替代方案。 作者：William Wong |
