發布日期：2022-10-09 點擊率：68
在當今包含了多種硬件的現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生巨大影響。這類動輒需要額外花費數百美元的精巧部件決定了移動設備上傳和下載文件所需要的時間，還有可能影響應用程序啟動、網絡瀏覽和游戲的響應速度。然而，在處理器等其他關鍵板上元器件的重要性能參數唾手可得的情況下，有關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計的首選嵌入式移動存儲器件，并且在電子書閱讀器、導航設備、攝像頭等眾多消費電子設備中也日漸普及。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成，并采用了標準接口(圖1)。JEDEC(固態技術協會)e.MMC標準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鍵系統代碼分區等。e.MMC器件屬于自我管理式系統解決方案，旨在為移動主機分擔日益復雜的閃存管理任務，簡化集成設計，并充分利用目前最具成本效益的閃存技術。
存儲器優化移動用戶體驗
作為專門針對移動應用而設計的嵌入式器件，e.MMC可與應用處理器高度集成，在高級移動操作系統(如谷歌的Android和Windows7)的時代，這點顯得至關重要。超級手機等高端移動設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器件都達到了標準規范，但是它們在移動設備中的表現好壞在很大程度上還取決于其設計方式，與主機的集成度以及針對現有應用的定制是否合理。
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和應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)為單位，體現的是存儲器件對極小數據包(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、文件系統和應用程序后臺被經常和反復執行。存儲器件對應用程序存取操作的反應速度會影響應用程序的啟動時間，網絡瀏覽和電子郵件等應用的響應速度，甚至器件的“瞬時啟動”功能。
在NAND存儲器件中實現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的發展增加，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300IOPS寫和2000IOPS讀(4KB)的隨機性能。這個類似SLC的指定托管區具有極高的隨機性能和卓越的耐用性，實際上充當著由操作系統和應用程序驅動的重復性小數據操作的“暫存區”。
平臺
隨著移動技術和應用的不斷發展，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、文件系統以及應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圖像等)，因而可以針對這種操作專門進行優化。然而，在眾多應用進入當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高清錄像應用要求具有恒定的高速序列比特率，而電子郵件應用則要求高速的隨機性能)。
與此同時，移動操作系統中更先進的多任務功能也呈增長之勢，這意味著這些應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處理提供保障。移動應用程序也可能在訪問操作系統、文件系統和e.MMC驅動器的方式上存在巨大差異。如果未能充分預見并采取有效措施，器件的使用情況可能會對移動應用程序的響應過程造成極大影響(例如，在高清錄像應用程序寫入大序列包時，電子郵件應用程序執行的小隨機寫操作就會導致臨時中斷)。如果無法適應應用程序的操作，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。
隨著移動應用程序的不斷發展和融合，能否深入了解移動應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備性能的關鍵。在存儲器件層面，通過深入研究現實移動應用程序對存儲器件的訪問模式，有利于優化存儲器件的設計。在移動設備層面，深入了解應用程序對存儲器件的影響方式，有利于提高主處理器、操作系統和存儲器件之間的集成度(圖3)。同時，還有助于在設計階段將存儲器件訪問的低效問題隔離開來并進行相應的補救，從而實現性能優化。這在競爭激烈的手機和平板電腦市場上顯得尤其重要。在多種競爭設備采用類似的外觀、參數、屏幕尺寸和操作系統的背景下，許多產品的研究結果表明，能夠提供杰出的用戶體驗才是關鍵因素。
存儲器優化移動用戶體驗
圖3：為實現良好的用戶體驗，需要不斷提高處理器、存儲器件、操作系統和應用程序之間的集成度。
SanDisk公司采用了一種基于應用的設計方法，利用先進的分析工具來模擬現實移動應用程序對存儲器件的影響。在此基礎上，SanDisk不僅針對主處理器和操作系統，還針對運行于特定移動設備上的各種應用程序對iNANDe.MMC進行了定制。此外，SanDisk還與大型的移動原始設備制造商(OEM)、芯片組和操作系統設計人員密切合作，確保實現軟、硬件的高度集成，從而優化性能、系統響應速度、存儲器件的使用壽命以及功耗水平。
功耗
在移動和計算設計中，從硬盤驅動器到閃存式存儲器件的發展在很大程度上受電池使用壽命因素驅動。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計。雖然e.MMC存儲器件運行于高度受限的功率預算之下，但大部分功率是為了實現更高的序列性能。為了優化功耗，在e.MMC器件處于較長時間的非活動狀態時，主機會將其置于休眠狀態，并在需要快速喚醒時，將其置于待機狀態。而存儲器件消耗的待機電流會影響電池壽命。在現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、操作系統和應用程序之間的高度集成變得更加重要。必須優化高效功耗模式切換，而且不能影響應用程序的響應速度或者“瞬時啟動”功能。
iNANDe.MMC等產品在當今的市場上形成了良好的典范，這類產品使主處理器能夠利用動態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，在針對側載操作而連接到USB等外部電源時，可極大地增強序列側載性能)。同時，在e.MMC規范外，iNAND器件還采用了多種“自動休眠”狀態，可以在不完全關閉存儲器件的情況下自動節能。
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模能有多大。幾年前還只能由大尺寸硬盤驅動器提供的容量，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據，從而消除了獨立啟動器件的必要，節省了占用空間。
存儲器優化移動用戶體驗
價格
在移動設備中，實現高級多媒體技術的關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閃存技術的不斷發展，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，這也變得更加復雜。在NAND技術開始在物理屬性方面達到瓶頸時，每一代新NAND技術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備或平板電腦總成本的10%-40%，在很多情況下，其設計成本位列第二(僅次于屏幕)，比CPU還高。由于這是移動設備物料清單(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備的性價比產生重大影響。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(3-bit-per-cell)。這種技術允許在NAND閃存的每個單元中存儲3位數據，而標準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(現有NAND制程最大可實現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、尺寸和價格的關鍵因素之一。雖然移動設備參數中在存儲容量以外很少提到這些參數，但它們會直接或間接地影響到移動設備性能。隨著移動技術的發展，在存儲器件和設計方法中綜合考慮移動存儲設計的五大要素將變得日益重要
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