在當(dāng)今包含了多種硬件的現(xiàn)代化智能手機(jī)和平板電腦中，看似普通的高容量嵌入式閃存器件卻有可能對(duì)移動(dòng)用戶的體驗(yàn)產(chǎn)生巨大影響。這類(lèi)動(dòng)輒需要額外花費(fèi)數(shù)百美元的精巧部件決定了移動(dòng)設(shè)備上傳和下載文件所需要的時(shí)間，還有可能影響應(yīng)用程序啟動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)瀏覽和游戲的響應(yīng)速度。然而，在處理器等其他關(guān)鍵板上元器件的重要性能參數(shù)唾手可得的情況下，有關(guān)嵌入式存儲(chǔ)器件的類(lèi)似信息卻并不總是為人所知。
近年來(lái)，e.MMC(嵌入式多媒體存儲(chǔ)卡)器件已成為移動(dòng)智能手機(jī)和平板電腦設(shè)計(jì)的首選嵌入式移動(dòng)存儲(chǔ)器件，并且在電子書(shū)閱讀器、導(dǎo)航設(shè)備、攝像頭等眾多消費(fèi)電子設(shè)備中也日漸普及。e.MMC器件是一種芯片式的小型嵌入式存儲(chǔ)器件，由NAND(與非)閃存、嵌入式閃存管理控制器和固件構(gòu)成，并采用了標(biāo)準(zhǔn)接口(圖1)。JEDEC(固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì))e.MMC標(biāo)準(zhǔn)以高端移動(dòng)功能集為重點(diǎn)，對(duì)e.MMC器件的物理、電氣和接口屬性進(jìn)行全面管理。其中包括功耗受限型高速總線支持、高級(jí)安全功能以及啟動(dòng)和關(guān)鍵系統(tǒng)代碼分區(qū)等。e.MMC器件屬于自我管理式系統(tǒng)解決方案，旨在為移動(dòng)主機(jī)分擔(dān)日益復(fù)雜的閃存管理任務(wù)，簡(jiǎn)化集成設(shè)計(jì)，并充分利用目前最具成本效益的閃存技術(shù)。
存儲(chǔ)器優(yōu)化移動(dòng)用戶體驗(yàn)
作為專門(mén)針對(duì)移動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的嵌入式器件，e.MMC可與應(yīng)用處理器高度集成，在高級(jí)移動(dòng)操作系統(tǒng)(如谷歌的Android和Windows7)的時(shí)代，這點(diǎn)顯得至關(guān)重要。超級(jí)手機(jī)等高端移動(dòng)設(shè)備對(duì)嵌入式存儲(chǔ)器的選擇幾乎會(huì)影響到移動(dòng)用戶體驗(yàn)的各個(gè)方面：性能、平臺(tái)、功耗、封裝和價(jià)格。雖然e.MMC器件都達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但是它們?cè)谝苿?dòng)設(shè)備中的表現(xiàn)好壞在很大程度上還取決于其設(shè)計(jì)方式，與主機(jī)的集成度以及針對(duì)現(xiàn)有應(yīng)用的定制是否合理。
性能
移動(dòng)NAND閃存式存儲(chǔ)器件(如microSD卡或e.MMC嵌入式解決方案)的讀寫(xiě)性能一般以MB/s為單位，這一性能也被稱為序列性能。在側(cè)載(side-load)的情況下，這點(diǎn)非常重要，比如將存儲(chǔ)器件與大型多媒體文件互相同步。e.MMC器件的性能因制造商而異，例如，iNANDExtremee.MMC器件具有杰出的序列性能，寫(xiě)入速度最高可達(dá)50MB/s，讀取速度最高可達(dá)80MB/s(圖2)。
存儲(chǔ)器優(yōu)化移動(dòng)用戶體驗(yàn)
有時(shí)人們常常忽視性能的另一個(gè)方面，那就是在考慮高級(jí)移動(dòng)操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序時(shí)具有重要意義的隨機(jī)性能。隨機(jī)性能一般以IOPS(每秒輸入/輸出操作次數(shù))為單位，體現(xiàn)的是存儲(chǔ)器件對(duì)極小數(shù)據(jù)包(一般為4KB-8KB)讀寫(xiě)操作的處理能力，這種操作在移動(dòng)操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序后臺(tái)被經(jīng)常和反復(fù)執(zhí)行。存儲(chǔ)器件對(duì)應(yīng)用程序存取操作的反應(yīng)速度會(huì)影響應(yīng)用程序的啟動(dòng)時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)瀏覽和電子郵件等應(yīng)用的響應(yīng)速度，甚至器件的“瞬時(shí)啟動(dòng)”功能。
在NAND存儲(chǔ)器件中實(shí)現(xiàn)高速的隨機(jī)性能并非易事，因?yàn)樵糔AND器件的最小寫(xiě)操作包(頁(yè)大小)通常會(huì)隨著閃存技術(shù)的發(fā)展增加，而性能則會(huì)下降。有多種不同的方法可以使最小可讀/寫(xiě)包大小與物理NAND頁(yè)大小脫離關(guān)系，以提高隨機(jī)性能。例如，通過(guò)在MLCNAND芯片上植入一種強(qiáng)大的緩存機(jī)制，iNANDe.MMC器件最高可以實(shí)現(xiàn)300IOPS寫(xiě)和2000IOPS讀(4KB)的隨機(jī)性能。這個(gè)類(lèi)似SLC的指定托管區(qū)具有極高的隨機(jī)性能和卓越的耐用性，實(shí)際上充當(dāng)著由操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序驅(qū)動(dòng)的重復(fù)性小數(shù)據(jù)操作的“暫存區(qū)”。
平臺(tái)
隨著移動(dòng)技術(shù)和應(yīng)用的不斷發(fā)展，原始序列性能尤其是隨機(jī)性能顯得越來(lái)越重要，但與此同時(shí)還要注意處理器、存儲(chǔ)器件、操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)以及應(yīng)用程序之間的集成性能。過(guò)去，閃存式存儲(chǔ)器件一般僅由一種應(yīng)用程序訪問(wèn)(例如，個(gè)人媒體播放器中的音樂(lè)文件或相機(jī)中的靜態(tài)圖像等)，因而可以針對(duì)這種操作專門(mén)進(jìn)行優(yōu)化。然而，在眾多應(yīng)用進(jìn)入當(dāng)今高級(jí)智能手機(jī)和平板電腦的情況下，訪問(wèn)嵌入式存儲(chǔ)器件的應(yīng)用程序不斷增多并且要求也各不相同，甚至有時(shí)還相互沖突(比如，高清或3D高清錄像應(yīng)用要求具有恒定的高速序列比特率，而電子郵件應(yīng)用則要求高速的隨機(jī)性能)。
與此同時(shí)，移動(dòng)操作系統(tǒng)中更先進(jìn)的多任務(wù)功能也呈增長(zhǎng)之勢(shì)，這意味著這些應(yīng)用程序在某些情況下可能會(huì)同時(shí)訪問(wèn)存儲(chǔ)器件。因此，由于存儲(chǔ)器件在一段時(shí)間內(nèi)一般只能處理一種操作，僅僅只有高序列性能和隨機(jī)性能還不足以為低延遲和靈敏的多任務(wù)處理提供保障。移動(dòng)應(yīng)用程序也可能在訪問(wèn)操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和e.MMC驅(qū)動(dòng)器的方式上存在巨大差異。如果未能充分預(yù)見(jiàn)并采取有效措施，器件的使用情況可能會(huì)對(duì)移動(dòng)應(yīng)用程序的響應(yīng)過(guò)程造成極大影響(例如，在高清錄像應(yīng)用程序?qū)懭氪笮蛄邪鼤r(shí)，電子郵件應(yīng)用程序執(zhí)行的小隨機(jī)寫(xiě)操作就會(huì)導(dǎo)致臨時(shí)中斷)。如果無(wú)法適應(yīng)應(yīng)用程序的操作，還會(huì)影響到存儲(chǔ)器件的使用壽命，因?yàn)殡S著時(shí)間的增加，無(wú)效率的寫(xiě)模式會(huì)影響存儲(chǔ)器件的耐用性。
隨著移動(dòng)應(yīng)用程序的不斷發(fā)展和融合，能否深入了解移動(dòng)應(yīng)用程序訪問(wèn)存儲(chǔ)器件的方式，日益成為改進(jìn)存儲(chǔ)器件和提高智能手機(jī)和平板設(shè)備性能的關(guān)鍵。在存儲(chǔ)器件層面，通過(guò)深入研究現(xiàn)實(shí)移動(dòng)應(yīng)用程序?qū)Υ鎯?chǔ)器件的訪問(wèn)模式，有利于優(yōu)化存儲(chǔ)器件的設(shè)計(jì)。在移動(dòng)設(shè)備層面，深入了解應(yīng)用程序?qū)Υ鎯?chǔ)器件的影響方式，有利于提高主處理器、操作系統(tǒng)和存儲(chǔ)器件之間的集成度(圖3)。同時(shí)，還有助于在設(shè)計(jì)階段將存儲(chǔ)器件訪問(wèn)的低效問(wèn)題隔離開(kāi)來(lái)并進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)救，從而實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化。這在競(jìng)爭(zhēng)激烈的手機(jī)和平板電腦市場(chǎng)上顯得尤其重要。在多種競(jìng)爭(zhēng)設(shè)備采用類(lèi)似的外觀、參數(shù)、屏幕尺寸和操作系統(tǒng)的背景下，許多產(chǎn)品的研究結(jié)果表明，能夠提供杰出的用戶體驗(yàn)才是關(guān)鍵因素。
存儲(chǔ)器優(yōu)化移動(dòng)用戶體驗(yàn)
圖3：為實(shí)現(xiàn)良好的用戶體驗(yàn)，需要不斷提高處理器、存儲(chǔ)器件、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間的集成度。
SanDisk公司采用了一種基于應(yīng)用的設(shè)計(jì)方法，利用先進(jìn)的分析工具來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)移動(dòng)應(yīng)用程序?qū)Υ鎯?chǔ)器件的影響。在此基礎(chǔ)上，SanDisk不僅針對(duì)主處理器和操作系統(tǒng)，還針對(duì)運(yùn)行于特定移動(dòng)設(shè)備上的各種應(yīng)用程序?qū)NANDe.MMC進(jìn)行了定制。此外，SanDisk還與大型的移動(dòng)原始設(shè)備制造商(OEM)、芯片組和操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員密切合作，確保實(shí)現(xiàn)軟、硬件的高度集成，從而優(yōu)化性能、系統(tǒng)響應(yīng)速度、存儲(chǔ)器件的使用壽命以及功耗水平。
功耗
在移動(dòng)和計(jì)算設(shè)計(jì)中，從硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器到閃存式存儲(chǔ)器件的發(fā)展在很大程度上受電池使用壽命因素驅(qū)動(dòng)。功耗與性能之間的折衷始終是個(gè)敏感的話題，尤其是智能手機(jī)的設(shè)計(jì)。雖然e.MMC存儲(chǔ)器件運(yùn)行于高度受限的功率預(yù)算之下，但大部分功率是為了實(shí)現(xiàn)更高的序列性能。為了優(yōu)化功耗，在e.MMC器件處于較長(zhǎng)時(shí)間的非活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，主機(jī)會(huì)將其置于休眠狀態(tài)，并在需要快速喚醒時(shí)，將其置于待機(jī)狀態(tài)。而存儲(chǔ)器件消耗的待機(jī)電流會(huì)影響電池壽命。在現(xiàn)代超級(jí)手機(jī)或平板電腦中，存儲(chǔ)器件需要的后臺(tái)存取操作不斷增加，使得處理器、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間的高度集成變得更加重要。必須優(yōu)化高效功耗模式切換，而且不能影響應(yīng)用程序的響應(yīng)速度或者“瞬時(shí)啟動(dòng)”功能。
iNANDe.MMC等產(chǎn)品在當(dāng)今的市場(chǎng)上形成了良好的典范，這類(lèi)產(chǎn)品使主處理器能夠利用動(dòng)態(tài)功耗敏感型序列操作模式，來(lái)減輕功耗與性能之間的折衷(例如，在針對(duì)側(cè)載操作而連接到USB等外部電源時(shí)，可極大地增強(qiáng)序列側(cè)載性能)。同時(shí)，在e.MMC規(guī)范外，iNAND器件還采用了多種“自動(dòng)休眠”狀態(tài)，可以在不完全關(guān)閉存儲(chǔ)器件的情況下自動(dòng)節(jié)能。
封裝
隨著智能手機(jī)和平板電腦越變?cè)奖。阶冊(cè)矫烙^(有些智能手機(jī)不到10mm厚)，這種趨勢(shì)對(duì)更小、更薄元器件的依賴程度也日益增加。小尺寸不僅要求具有更緊湊的移動(dòng)設(shè)計(jì)，還要求具有更先進(jìn)的功能和更高的能效(從而為其他元件和電池騰出空間)。注意到64GB這個(gè)容載限點(diǎn)便可很好理解物理尺寸縮減的規(guī)模能有多大。幾年前還只能由大尺寸硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器提供的容量，今天只需要一塊微型芯片即可。iNANDe.MMC器件的尺寸雖然只有12×16×1.4mm，但卻可以提供高達(dá)64GB的存儲(chǔ)容量，某些容量下其厚度只有1mm，這歸功于效率極高的大容量NAND芯片(圖4)。iNANDe.MMC既是一種大容量的存儲(chǔ)器件，也是一種可啟動(dòng)器件，它可以在同一器件上存儲(chǔ)啟動(dòng)代碼和用戶數(shù)據(jù)，從而消除了獨(dú)立啟動(dòng)器件的必要，節(jié)省了占用空間。
存儲(chǔ)器優(yōu)化移動(dòng)用戶體驗(yàn)
價(jià)格
在移動(dòng)設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)高級(jí)多媒體技術(shù)的關(guān)鍵因素之一是極具性價(jià)比的大容量NAND閃存式存儲(chǔ)解決方案。隨著NAND閃存技術(shù)的不斷發(fā)展，其成本不斷下降，這為提高移動(dòng)存儲(chǔ)器件的容量提供了可能，但在同時(shí)，這也變得更加復(fù)雜。在NAND技術(shù)開(kāi)始在物理屬性方面達(dá)到瓶頸時(shí)，每一代新NAND技術(shù)的效率增量呈下降之勢(shì)。
大容量NAND閃存器件可能占到高端移動(dòng)設(shè)備或平板電腦總成本的10%-40%，在很多情況下，其設(shè)計(jì)成本位列第二(僅次于屏幕)，比CPU還高。由于這是移動(dòng)設(shè)備物料清單(BOM)中的一個(gè)主要成本考慮因素，因此，該器件成本的下降會(huì)對(duì)移動(dòng)設(shè)備的性價(jià)比產(chǎn)生重大影響。為了在改進(jìn)工藝之余提高NAND存儲(chǔ)器件的性價(jià)比，SanDisk率先在iNANDe.MMC器件中采用3位元技術(shù)(3-bit-per-cell)。這種技術(shù)允許在NAND閃存的每個(gè)單元中存儲(chǔ)3位數(shù)據(jù)，而標(biāo)準(zhǔn)MLCNAND閃存的每個(gè)單元只能存儲(chǔ)2位。這樣可以在不增加NAND芯片尺寸的情況下提高存儲(chǔ)容量，從而大幅降低存儲(chǔ)器件的成本。再加上高效大容量芯片(現(xiàn)有NAND制程最大可實(shí)現(xiàn)64GB)，這些因素為移動(dòng)大容量NAND閃存器件的高性價(jià)比提供了保障。
存儲(chǔ)器件參數(shù)的重要性
智能手機(jī)、超級(jí)手機(jī)或平板電腦中使用的嵌入式存儲(chǔ)器件是影響性能、用戶體驗(yàn)、尺寸和價(jià)格的關(guān)鍵因素之一。雖然移動(dòng)設(shè)備參數(shù)中在存儲(chǔ)容量以外很少提到這些參數(shù)，但它們會(huì)直接或間接地影響到移動(dòng)設(shè)備性能。隨著移動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，在存儲(chǔ)器件和設(shè)計(jì)方法中綜合考慮移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)的五大要素將變得日益重要
