耳机设计中嵌入记忆体

 
下一代耳机将担负很多要求来处理数十种应用，为了成功应对这个挑战，工程师必须设法确定记忆体类型和结构，以及嵌入的方式，使它能提供最大的好处，而且功率最低、占用空间最小。

随着目前的行动通讯网路过渡到3G，并为4G等更前瞻的环境做准备，耳机设计师正在面临一些新的挑战。在下一代系统中，彩色萤幕、嵌入式照相机、网路接取、媒体串流、电子邮件、即时消息、可下载的Java应用和MP3音乐应用都必须列入考虑。在提供这些新特性时，平台体系结构设计师必须确定正确的记忆体类型组合，以便针对单位成本来平衡逐步提高的性能和储存需求。

一组严格的固定要求使这项任务进一步复杂了，客户为新特性而兴奋不已，但却不愿牺牲语音品质、小尺寸和长电池寿命。在新特性增加的同时，功率和空间要求将依然严格。

多少储存容量才够用？

设计师之所以需要尽可能准确地估计下一代记忆体要求，是因为记忆体结构强烈影响客户体验。储存容量太小会削弱性能并限制功能，而储存容量太大则会不必要地增加产品成本。准确而及时的估计是必要的，可以避免设计错误，这些错误会增加开发成本，耽误新产品的推出。

幸运的是，在全球手机普及化的过程中，可以看到比较清晰的模式。日本在功能采用方面往往领先全球。韩国在新特性的引入方面曾落后日本大约12个月，但是它现在已拥有全球最高的3G电话普及率。美国、西欧、中国落后日本大约2-3年。彩色萤幕、嵌入式照相机等最显眼的特性已非常迅速地普及开来。

透过仔细研究采纳模式，并把具体特性所需的记忆体考虑在内，就可以估计对记忆体的近期要求。某预测模型表明，电话的平均快闪记忆体密度到2005年将达到大约210 Mb，是2003年平均密度的170%左右。



语音与资料

在为会聚型设备定义记忆体要求时，一种常见做法是在语音通信量和资料通信量之间进行区分。然而，存在很多不同类型的资料，其中包括应用代码和资料、挥发的?#26283;存器?#36039;料，以及相对静态的大型媒体档。以上每种资料类型都有不同的性能、持续性、容量要求。

在处理以上多种工作负载时，储存系统还必须满足一般的手机要求，其中包括：

低功率换取长电池寿命?向1.8伏直流电设备的转移起了帮助作用，但是越来越多的功能将需要人们不断努力抑制功耗。在采用3G和其他先进手机方面，电池寿命一直是消费者和运营商提到的头号问题。

高密度换取紧凑的尺寸外型?那些产生更大单位面积位元数并具备更完善的封装策略的先进矽制程技术将很关键。设计师还应该考虑提供消费者可单独购买的外部附加储存模组。 這實際上是在對手機尺寸或成本影響最小的前提下，提供了無限容量檔儲存選擇。

快速记忆体读写换取呼叫管理和会聚型功能?消费者用于衡量性能的指标不仅是视频等高要求应用的速度和品质，而且还通过触感、应用启动速度，以及启动手机所需时间来衡量。性能将依然是一个重要区分因素。

低零件数量来抑制成本?必须针对记忆体总成本来权衡多种记忆体类型的优点。在最终分析中，每部手机的总成本始终比任何单个元件的每位元成本更重要。



记忆体：RAM、NOR、NAND

多数下一代手机将使用代码执行快闪记忆体或RAM和资料快闪记忆体的组合（见表2）。

RAM提供了对精细资料的快速灵活存取，并在手机的预期产品寿命期间支援高性能的读写。这些特性成为满足缓存、堆叠、暂存器等特定手机设计元件快速读写要求的当前唯一可行选择。至于不利方面，RAM是一种挥发储存媒介，消耗大量电力来保留内容。因此，它不适合储存大档或任何在手机断电时必须保存的资料。

SRAM是目前在手机设计中最常用的一种RAM。 SRAM比DRAM更快，并且功耗更小，但也更贵。每个SRAM储存单元均由6个元件组成：4个电晶体和2个负载元件。伪SRAM和移动SDRAM等较新的RAM技术比SRAM更快，但功耗也大几个数量级。

伪SRAM（有多个专有名称）基于一种DRAM型储存单元，它采用1个电晶体和1个电容，加上模仿SRAM元件介面的电路。它的功耗在SRAM的低功耗和移动SDRAM高得多的功耗之间。移动SDRAM，或LP SDRAM，是传统SDRAM的一个特殊版本，包含部分阵列刷新或温度补偿式刷新等一些省电特性。DDR等其他DRAM的移动版或LP版也在研制之中。

一般建议：配置足够多的RAM来满足非常动态的资料要求（例如暂存器），但限制总RAM容量来把成本和功耗降至最低。

NOR是一种非挥发性快闪记忆体，它支援对精细资料的快速乱数据存取。用来代替额外的RAM，可大幅降低对代码执行和多类资料储存的功率要求，同时保持适当的性能水准。

NOR尤其适合于代码储存，促成了从非挥发性记忆体直接执行代码。这种能力被称作XIP。它不仅降低了RAM要求，而且消除了执行之前复制代码所需的性能开销。NOR支援同步突发读，它以处理器的时钟速度来输送资料，因此提高了处理器利用率。

NOR也很适合于储存应用资料，尤其是对于那些需要比较频繁而精细地存取记忆体的板上功能。虽然NOR在存取大块资料方面比NAND慢，但它在频繁的位元组级存取方面一般提供更好的性能。NOR还支持RWW能力，它们促成了对不同存取磁区的同时读写，因此进一步加快了性能。

单位元/单元NOR的每兆位元价格比NAND更贵，但在适合于多数板上要求的密度时，它的每元件价格低于NAND。一般而言，NOR的每位元价格也低于SRAM和PSRAM，尽管它可能比LP SDRAM高一些。新型MLC NOR解决方案使每单元能储存两个资料位元，并充分降低了NOR记忆体的每兆位元总成本。借助这一发展，NOR密度和成本正在逐渐吻合板上手机记忆体要求。

一般建议：把NOR用于代码执行(XIP)，用于满足板上非挥发记忆体要求，以及不需要RAM那么快速度的板上资料储存。作为普遍准则，4：1比例（NOR：RAM）在下一代设计中将继续适用。

NAND是非挥发快闪记忆体的另一种衍生类型，目标是大量储存应用。它支援从缓存串列读出资料，而不是随机位元组级存取。因此它的特点是初始资料存取慢，随后是被存取页（被包含在暂存中）的其余部分的较快交付。一般而言， NAND元件的密度比NOR更高，而每兆位元价格可能更低，但在许多板上功能要求的密度时，每元件价格可能更高。

NAND的实现比NOR或RAM更复杂。它不能被用于机箱之外，并需要较复杂的软体驱动程式来实现块管理、非线性位址映射和纠错。纠错软体是必需的，这是由于误码和坏储存块在NAND元件中更常见。

可以把代码储存在NAND中，并把它下载到更快的RAM中执行。但是，与XIP相比，这并未提供真正的性能改善，并且额外的RAM增加了手机成本和功耗。由于存取NAND资料过程中的最初延迟，这种方法还导致较慢的引导和启动时间。

一般建议：把NAND用于高批量外部储存（插入式储存卡），而不是那些需要快速存取精细资料的板上记忆体功能。这种策略利用了高密度NAND记忆体件很低的每兆位元成本，不会给手机性能或成本造成负担。

当然，设计师可以期望三种记忆体类型在密度、性能、成本降低方面不断取得进步。一般而言，快闪记忆体解决方案将比RAM进步得更快，这是因为传统RAM元件在比例调整方面遇到了越来越多的问题。

其他设计考虑事项

克服平台体系结构方面的局限性，这将始终在可支持的记忆体方面造成特定限制。记忆体封装参数也很关键。目前，在单一的100平方毫米封装中能支持多达5块各种类型的储存晶片。设计师应该意识到，一些记忆体组合在封装和软体方面得到了更广泛的支援，这可能会同时影响成本和开发复杂度。

在评估包括处理器、核心频率和汇流排频率、作业系统、代码类型以及许多特定应用工作负载在内的关键手机变数时，以下因素是与记忆体考虑事项有关的关键因素。

写入性能虽然对于NAND而言，原始写入速度比NOR更快，但在实际使用中，用户几乎感觉不到差异。NOR写速度即使对于流式传输大型多媒体档也足够了。但是，对于块传输超过1百万位元组的档，NAND（或资料优化型NOR）提供了更好的性能。

代码性能与资料性能?快取记忆体丢失率是总体性能的一个良好指标，对于蜂窝体系结构中的代码执行是很低的。但是对于资料操作，它们高了一个数量级。这表明，LP SDRAM更快的精细存取速度对于非常挥发的资料可能很重要，但对于代码执行则不然。系统RAM在代码遮蔽或分页方面的广泛使用既浪费又无必要。而且，当LP SDRAM被同时用于代码执行和资料操作时，快取记忆体行填充会使两种功能的存取陷入停顿。

资料完整性NOR记忆体在储存诸如代码和配置资料等关键资讯方面一般更受欢迎。这是因为RAM和NAND中的资料更容易受到意外或恶意破坏的影响。借助NOR，则更容易把关键资料与用户可存取的储存区域隔离开。

功耗?一般而言，储存系统的功耗在通话待机模式和断电模式中非常重要，这是因为在长时间的主动使用期间，用电量的主导者是其他手机功能。尤其是大量LP SDRAM，如果管理不善，会明显影响总体用电情况。与典型的NAND和LP SDRAM遮蔽式解决方案相比，XIP在代码执行方面的使用可将用电量降低14%或更多。这在主动模式和待机模式中可能都很重要。

核心建议

RAM、NOR和NAND记忆体都将继续在下一代手机设计中起作用。一般而言：

- RAM最好被较少量地用于挥发资料操作。

- NOR最好被用于代码执行、配置资料和其他较不挥发的板上储存功能。

- NAND最好被用于可拆卸储存卡等高密度外部记忆体。

虽然这些都是很好的经验法则，但并不存在万能解决方案，这是因为对于不同设备和用户，功能和工作负载也会有所变化。最优的记忆体体系结构将继续取决于不断演变的特性集、客户期望、记忆体价格结构。一般而言，手机设计师应考虑包括RAM和快闪记忆体在内的所有记忆体的要求，并开发平衡的、充分利用所有三种技术独特优点的平台解决方案。

缩写术语表

3G --第三代

DDR --双数据速率

DRAM --动态随机存取记忆体

LP-SDRAM --低功率静态随机存取记忆体

Mb --兆位元

MLC --多级单元

NAND --与非

NOR --或非

PSRAM --伪静态随机存取记忆体

RAM --随机存取记忆体

RWW --同时读写

P1dB -- 1分贝压缩点，这是输出功率的一个品质因数

SRAM --静态随机存取记忆体

XIP --就地执行

(本文作者：David Janas , Greg Komoto)

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