存储器优化移动用户体验

在当今包含了多种硬件的现代化智能手机和平板电脑中，看似普通的高容量嵌入式闪存器件却有可能对移动用户的体验产生巨大影响。这类动辄需要额外花费数百美元的精巧部件决定了移动设备上传和下载文件所需要的时间，还有可能影响应用程序启动、网络浏览和游戏的响应速度。然而，在处理器等其他关键板上元器件的重要性能参数唾手可得的情况下，有关嵌入式存储器件的类似信息却并不总是为人所知。 近年来，e.MMC(嵌入式多媒体存储卡)器件已成为移动智能手机和平板电脑设计的首选嵌入式移动存储器件，并且在电子书阅读器、导航设备、摄像头等众多消费电子设备中也日渐普及。e.MMC器件是一种芯片式的小型嵌入式存储器件，由NAND(与非)闪存、嵌入式闪存管理控制器和固件构成，并采用了标准接口(图1)。JEDEC(固态技术协会)e.MMC标准以高端移动功能集为重点，对e.MMC器件的物理、电气和接口属性进行全面管理。其中包括功耗受限型高速总线支持、高级安全功能以及启动和关键系统代码分区等。e.MMC器件属于自我管理式系统解决方案，旨在为移动主机分担日益复杂的闪存管理任务，简化集成设计，并充分利用目前最具成本效益的闪存技术。

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作为专门针对移动应用而设计的嵌入式器件，e.MMC可与应用处理器高度集成，在高级移动操作系统(如谷歌的Android和Windows 7)的时代，这点显得至关重要。超级手机等高端移动设备对嵌入式存储器的选择几乎会影响到移动用户体验的各个方面：性能、平台、功耗、封装和价格。虽然e.MMC器件都达到了标准规范，但是它们在移动设备中的表现好坏在很大程度上还取决于其设计方式，与主机的集成度以及针对现有应用的定制是否合理。 性能 移动NAND闪存式存储器件(如microSD卡或e.MMC嵌入式解决方案)的读写性能一般以MB/s为单位，这一性能也被称为序列性能。在侧载(side-load)的情况下，这点非常重要，比如将存储器件与大型多媒体文件互相同步。e.MMC器件的性能因制造商而异，例如，iNAND Extreme e.MMC器件具有杰出的序列性能，写入速度最高可达50MB/s，读取速度最高可达80MB/s(图2)。

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有时人们常常忽视性能的另一个方面，那就是在考虑高级移动操作系统和应用程序时具有重要意义的随机性能。随机性能一般以IOPS(每秒输入/输出操作次数)为单位，体现的是存储器件对极小数据包(一般为4KB-8KB)读写操作的处理能力，这种操作在移动操作系统、文件系统和应用程序后台被经常和反复执行。存储器件对应用程序存取操作的反应速度会影响应用程序的启动时间，网络浏览和电子邮件等应用的响应速度，甚至器件的“瞬时启动”功能。 在NAND存储器件中实现高速的随机性能并非易事，因为原始NAND器件的最小写操作包(页大小)通常会随着闪存技术的发展增加，而性能则会下降。有多种不同的方法可以使最小可读/写包大小与物理NAND页大小脱离关系，以提高随机性能。例如，通过在MLC NAND芯片上植入一种强大的缓存机制，iNAND e.MMC器件最高可以实现300IOPS写和2000IOPS读(4KB)的随机性能。这个类似SLC的指定托管区具有极高的随机性能和卓越的耐用性，实际上充当着由操作系统和应用程序驱动的重复性小数据操作的“暂存区”。 平台 随着移动技术和应用的不断发展，原始序列性能尤其是随机性能显得越来越重要，但与此同时还要注意处理器、存储器件、操作系统、文件系统以及应用程序之间的集成性能。过去，闪存式存储器件一般仅由一种应用程序访问(例如，个人媒体播放器中的音乐文件或相机中的静态图像等)，因而可以针对这种操作专门进行优化。然而，在众多应用进入当今高级智能手机和平板电脑的情况下，访问嵌入式存储器件的应用程序不断增多并且要求也各不相同，甚至有时还相互冲突(比如，高清或3D高清录像应用要求具有恒定的高速序列比特率，而电子邮件应用则要求高速的随机性能)。 与此同时，移动操作系统中更先进的多任务功能也呈增长之势，这意味着这些应用程序在某些情况下可能会同时访问存储器件。因此，由于存储器件在一段时间内一般只能处理一种操作，仅仅只有高序列性能和随机性能还不足以为低延迟和灵敏的多任务处理提供保障。移动应用程序也可能在访问操作系统、文件系统和e.MMC驱动器的方式上存在巨大差异。如果未能充分预见并采取有效措施，器件的使用情况可能会对移动应用程序的响应过程造成极大影响(例如，在高清录像应用程序写入大序列包时，电子邮件应用程序执行的小随机写操作就会导致临时中断)。如果无法适应应用程序的操作，还会影响到存储器件的使用寿命，因为随着时间的增加，无效率的写模式会影响存储器件的耐用性。 随着移动应用程序的不断发展和融合，能否深入了解移动应用程序访问存储器件的方式，日益成为改进存储器件和提高智能手机和平板设备性能的关键。在存储器件层面，通过深入研究现实移动应用程序对存储器件的访问模式，有利于优化存储器件的设计。在移动设备层面，深入了解应用程序对存储器件的影响方式，有利于提高主处理器、操作系统和存储器件之间的集成度(图3)。同时，还有助于在设计阶段将存储器件访问的低效问题隔离开来并进行相应的补救，从而实现性能优化。这在竞争激烈的手机和平板电脑市场上显得尤其重要。在多种竞争设备采用类似的外观、参数、屏幕尺寸和操作系统的背景下，许多产品的研究结果表明，能够提供杰出的用户体验才是关键因素。

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图3：为实现良好的用户体验，需要不断提高处理器、存储器件、操作系统和应用程序之间的集成度。 SanDisk公司采用了一种基于应用的设计方法，利用先进的分析工具来模拟现实移动应用程序对存储器件的影响。在此基础上，SanDisk不仅针对主处理器和操作系统，还针对运行于特定移动设备上的各种应用程序对iNAND e.MMC进行了定制。此外，SanDisk还与大型的移动原始设备制造商(OEM)、芯片组和操作系统设计人员密切合作，确保实现软、硬件的高度集成，从而优化性能、系统响应速度、存储器件的使用寿命以及功耗水平。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 功耗 在移动和计算设计中，从硬盘驱动器到闪存式存储器件的发展在很大程度上受电池使用寿命因素驱动。功耗与性能之间的折衷始终是个敏感的话题，尤其是智能手机的设计。虽然e.MMC存储器件运行于高度受限的功率预算之下，但大部分功率是为了实现更高的序列性能。为了优化功耗，在e.MMC器件处于较长时间的非活动状态时，主机会将其置于休眠状态，并在需要快速唤醒时，将其置于待机状态。而存储器件消耗的待机电流会影响电池寿命。在现代超级手机或平板电脑中，存储器件需要的后台存取操作不断增加，使得处理器、操作系统和应用程序之间的高度集成变得更加重要。必须优化高效功耗模式切换，而且不能影响应用程序的响应速度或者“瞬时启动”功能。 iNAND e.MMC等产品在当今的市场上形成了良好的典范，这类产品使主处理器能够利用动态功耗敏感型序列操作模式，来减轻功耗与性能之间的折衷(例如，在针对侧载操作而连接到USB等外部电源时，可极大地增强序列侧载性能)。同时，在e.MMC规范外，iNAND器件还采用了多种“自动休眠”状态，可以在不完全关闭存储器件的情况下自动节能。 封装 随着智能手机和平板电脑越变越薄，越变越美观(有些智能手机不到10mm厚)，这种趋势对更小、更薄元器件的依赖程度也日益增加。小尺寸不仅要求具有更紧凑的移动设计，还要求具有更先进的功能和更高的能效(从而为其他元件和电池腾出空间)。注意到64GB这个容载限点便可很好理解物理尺寸缩减的规模能有多大。几年前还只能由大尺寸硬盘驱动器提供的容量，今天只需要一块微型芯片即可。iNAND e.MMC器件的尺寸虽然只有12×16×1.4mm，但却可以提供高达64GB的存储容量，某些容量下其厚度只有1mm，这归功于效率极高的大容量NAND芯片(图4)。iNAND e.MMC既是一种大容量的存储器件，也是一种可启动器件，它可以在同一器件上存储启动代码和用户数据，从而消除了独立启动器件的必要，节省了占用空间。

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价格 在移动设备中，实现高级多媒体技术的关键因素之一是极具性价比的大容量NAND闪存式存储解决方案。随着NAND闪存技术的不断发展，其成本不断下降，这为提高移动存储器件的容量提供了可能，但在同时，这也变得更加复杂。在NAND技术开始在物理属性方面达到瓶颈时，每一代新NAND技术的效率增量呈下降之势。 大容量NAND闪存器件可能占到高端移动设备或平板电脑总成本的10%-40%，在很多情况下，其设计成本位列第二(仅次于屏幕)，比CPU还高。由于这是移动设备物料清单(BOM)中的一个主要成本考虑因素，因此，该器件成本的下降会对移动设备的性价比产生重大影响。为了在改进工艺之余提高NAND存储器件的性价比，SanDisk率先在iNAND e.MMC器件中采用3位元技术(3-bit-per-cell)。这种技术允许在NAND闪存的每个单元中存储3位数据，而标准MLC NAND闪存的每个单元只能存储2位。这样可以在不增加NAND芯片尺寸的情况下提高存储容量，从而大幅降低存储器件的成本。再加上高效大容量芯片(现有NAND制程最大可实现64GB)，这些因素为移动大容量NAND闪存器件的高性价比提供了保障。 存储器件参数的重要性 智能手机、超级手机或平板电脑中使用的嵌入式存储器件是影响性能、用户体验、尺寸和价格的关键因素之一。虽然移动设备参数中在存储容量以外很少提到这些参数，但它们会直接或间接地影响到移动设备性能。随着移动技术的发展，在存储器件和设计方法中综合考虑移动存储设计的五大要素将变得日益重要。 点击查看: 优化移动多媒体传输链的功耗>>