在當(dāng)今包含了多種硬件的現(xiàn)代化智能手機和平板電腦中，看似普通的高容量嵌入式閃存器件卻有可能對移動用戶的體驗產(chǎn)生巨大影響。這類動輒需要額外花費數(shù)百美元的精巧部件決定了移動設(shè)備上傳和下載文件所需要的時間，還有可能影響應(yīng)用程序啟動、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)嵌入式存儲器件的類似信息卻并不總是為人所知。
近年來，e.MMC(嵌入式多媒體存儲卡)器件已成為移動智能手機和平板電腦設(shè)計的首選嵌入式移動存儲器件，并且在電子書閱讀器、導(dǎo)航設(shè)備、攝像頭等眾多消費電子設(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)e.MMC標(biāo)準(zhǔn)以高端移動功能集為重點，對e.MMC器件的物理、電氣和接口屬性進行全面管理。其中包括功耗受限型高速總線支持、高級安全功能以及啟動和關(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，旨在為移動主機分擔(dān)日益復(fù)雜的閃存管理任務(wù)，簡化集成設(shè)計，并充分利用目前最具成本效益的閃存技術(shù)。
存儲器優(yōu)化移動用戶體驗
作為專門針對移動應(yīng)用而設(shè)計的嵌入式器件，e.MMC可與應(yīng)用處理器高度集成，在高級移動操作系統(tǒng)(如谷歌的Android和Windows7)的時代，這點顯得至關(guān)重要。超級手機等高端移動設(shè)備對嵌入式存儲器的選擇幾乎會影響到移動用戶體驗的各個方面：性能、平臺、功耗、封裝和價格。雖然e.MMC器件都達到了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但是它們在移動設(shè)備中的表現(xiàn)好壞在很大程度上還取決于其設(shè)計方式，與主機的集成度以及針對現(xiàn)有應(yīng)用的定制是否合理。
性能
移動NAND閃存式存儲器件(如microSD卡或e.MMC嵌入式解決方案)的讀寫性能一般以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，這點非常重要，比如將存儲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，寫入速度最高可達50MB/s，讀取速度最高可達80MB/s(圖2)。
存儲器優(yōu)化移動用戶體驗
有時人們常常忽視性能的另一個方面，那就是在考慮高級移動操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序時具有重要意義的隨機性能。隨機性能一般以IOPS(每秒輸入/輸出操作次數(shù))為單位，體現(xiàn)的是存儲器件對極小數(shù)據(jù)包(一般為4KB-8KB)讀寫操作的處理能力，這種操作在移動操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序后臺被經(jīng)常和反復(fù)執(zhí)行。存儲器件對應(yīng)用程序存取操作的反應(yīng)速度會影響應(yīng)用程序的啟動時間，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“瞬時啟動”功能。
在NAND存儲器件中實現(xiàn)高速的隨機性能并非易事，因為原始NAND器件的最小寫操作包(頁大小)通常會隨著閃存技術(shù)的發(fā)展增加，而性能則會下降。有多種不同的方法可以使最小可讀/寫包大小與物理NAND頁大小脫離關(guān)系，以提高隨機性能。例如，通過在MLCNAND芯片上植入一種強大的緩存機制，iNANDe.MMC器件最高可以實現(xiàn)300IOPS寫和2000IOPS讀(4KB)的隨機性能。這個類似SLC的指定托管區(qū)具有極高的隨機性能和卓越的耐用性，實際上充當(dāng)著由操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序驅(qū)動的重復(fù)性小數(shù)據(jù)操作的“暫存區(qū)”。
平臺
隨著移動技術(shù)和應(yīng)用的不斷發(fā)展，原始序列性能尤其是隨機性能顯得越來越重要，但與此同時還要注意處理器、存儲器件、操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)以及應(yīng)用程序之間的集成性能。過去，閃存式存儲器件一般僅由一種應(yīng)用程序訪問(例如，個人媒體播放器中的音樂文件或相機中的靜態(tài)圖像等)，因而可以針對這種操作專門進行優(yōu)化。然而，在眾多應(yīng)用進入當(dāng)今高級智能手機和平板電腦的情況下，訪問嵌入式存儲器件的應(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性能)。
與此同時，移動操作系統(tǒng)中更先進的多任務(wù)功能也呈增長之勢，這意味著這些應(yīng)用程序在某些情況下可能會同時訪問存儲器件。因此，由于存儲器件在一段時間內(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。移動應(yīng)用程序也可能在訪問操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和e.MMC驅(qū)動器的方式上存在巨大差異。如果未能充分預(yù)見并采取有效措施，器件的使用情況可能會對移動應(yīng)用程序的響應(yīng)過程造成極大影響(例如，在高清錄像應(yīng)用程序?qū)懭氪笮蛄邪鼤r，電子郵件應(yīng)用程序執(zhí)行的小隨機寫操作就會導(dǎo)致臨時中斷)。如果無法適應(yīng)應(yīng)用程序的操作，還會影響到存儲器件的使用壽命，因為隨著時間的增加，無效率的寫模式會影響存儲器件的耐用性。
隨著移動應(yīng)用程序的不斷發(fā)展和融合，能否深入了解移動應(yīng)用程序訪問存儲器件的方式，日益成為改進存儲器件和提高智能手機和平板設(shè)備性能的關(guān)鍵。在存儲器件層面，通過深入研究現(xiàn)實移動應(yīng)用程序?qū)Υ鎯ζ骷脑L問模式，有利于優(yōu)化存儲器件的設(shè)計。在移動設(shè)備層面，深入了解應(yīng)用程序?qū)Υ鎯ζ骷挠绊懛绞剑欣谔岣咧魈幚砥鳌⒉僮飨到y(tǒng)和存儲器件之間的集成度(圖3)。同時，還有助于在設(shè)計階段將存儲器件訪問的低效問題隔離開來并進行相應(yīng)的補救，從而實現(xiàn)性能優(yōu)化。這在競爭激烈的手機和平板電腦市場上顯得尤其重要。在多種競爭設(shè)備采用類似的外觀、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才是關(guān)鍵因素。
存儲器優(yōu)化移動用戶體驗
圖3：為實現(xiàn)良好的用戶體驗，需要不斷提高處理器、存儲器件、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)計方法，利用先進的分析工具來模擬現(xiàn)實移動應(yīng)用程序?qū)Υ鎯ζ骷挠绊憽Ｔ诖嘶A(chǔ)上，SanDisk不僅針對主處理器和操作系統(tǒng)，還針對運行于特定移動設(shè)備上的各種應(yīng)用程序?qū)NANDe.MMC進行了定制。此外，SanDisk還與大型的移動原始設(shè)備制造商(OEM)、芯片組和操作系統(tǒng)設(shè)計人員密切合作，確保實現(xiàn)軟、硬件的高度集成，從而優(yōu)化性能、系統(tǒng)響應(yīng)速度、存儲器件的使用壽命以及功耗水平。
功耗
在移動和計算設(shè)計中，從硬盤驅(qū)動器到閃存式存儲器件的發(fā)展在很大程度上受電池使用壽命因素驅(qū)動。功耗與性能之間的折衷始終是個敏感的話題，尤其是智能手機的設(shè)計。雖然e.MMC存儲器件運行于高度受限的功率預(yù)算之下，但大部分功率是為了實現(xiàn)更高的序列性能。為了優(yōu)化功耗，在e.MMC器件處于較長時間的非活動狀態(tài)時，主機會將其置于休眠狀態(tài)，并在需要快速喚醒時，將其置于待機狀態(tài)。而存儲器件消耗的待機電流會影響電池壽命。在現(xiàn)代超級手機或平板電腦中，存儲器件需要的后臺存取操作不斷增加，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“瞬時啟動”功能。
iNANDe.MMC等產(chǎn)品在當(dāng)今的市場上形成了良好的典范，這類產(chǎn)品使主處理器能夠利用動態(tài)功耗敏感型序列操作模式，來減輕功耗與性能之間的折衷(例如，在針對側(cè)載操作而連接到USB等外部電源時，可極大地增強序列側(cè)載性能)。同時，在e.MMC規(guī)范外，iNAND器件還采用了多種“自動休眠”狀態(tài)，可以在不完全關(guān)閉存儲器件的情況下自動節(jié)能。
封裝
隨著智能手機和平板電腦越變越薄，越變越美觀(有些智能手機不到10mm厚)，這種趨勢對更小、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設(shè)計，還要求具有更先進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這個容載限點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驅(qū)動器提供的容量，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64GB的存儲容量，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器件，也是一種可啟動器件，它可以在同一器件上存儲啟動代碼和用戶數(shù)據(jù)，從而消除了獨立啟動器件的必要，節(jié)省了占用空間。
存儲器優(yōu)化移動用戶體驗
價格
在移動設(shè)備中，實現(xiàn)高級多媒體技術(shù)的關(guān)鍵因素之一是極具性價比的大容量NAND閃存式存儲解決方案。隨著NAND閃存技術(shù)的不斷發(fā)展，其成本不斷下降，這為提高移動存儲器件的容量提供了可能，但在同時，這也變得更加復(fù)雜。在NAND技術(shù)開始在物理屬性方面達到瓶頸時，每一代新NAND技術(shù)的效率增量呈下降之勢。
大容量NAND閃存器件可能占到高端移動設(shè)備或平板電腦總成本的10%-40%，在很多情況下，其設(shè)計成本位列第二(僅次于屏幕)，比CPU還高。由于這是移動設(shè)備物料清單(BOM)中的一個主要成本考慮因素，因此，該器件成本的下降會對移動設(shè)備的性價比產(chǎn)生重大影響。為了在改進工藝之余提高NAND存儲器件的性價比，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閃存的每個單元中存儲3位數(shù)據(jù)，而標(biāo)準(zhǔn)MLCNAND閃存的每個單元只能存儲2位。這樣可以在不增加NAND芯片尺寸的情況下提高存儲容量，從而大幅降低存儲器件的成本。再加上高效大容量芯片(現(xiàn)有NAND制程最大可實現(xiàn)64GB)，這些因素為移動大容量NAND閃存器件的高性價比提供了保障。
存儲器件參數(shù)的重要性
智能手機、超級手機或平板電腦中使用的嵌入式存儲器件是影響性能、用戶體驗、尺寸和價格的關(guān)鍵因素之一。雖然移動設(shè)備參數(shù)中在存儲容量以外很少提到這些參數(shù)，但它們會直接或間接地影響到移動設(shè)備性能。隨著移動技術(shù)的發(fā)展，在存儲器件和設(shè)計方法中綜合考慮移動存儲設(shè)計的五大要素將變得日益重要
