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在便携式消费电子产品中应用大容量存储设备

上网日期: 2004年09月02日 ?? 作者: Fadi Afa Al-Refaee ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:消费电子? 大容量存储设备? 硬盘驱动器? 存储基元?

硬盘磁存储媒介的实际位密度以每年30~40%的速度增长。高度商业化电子设备和机???结构的采用保证了这种增速,因此大容量驱动器的成本基本不会变化,尽管它所提供的存储容量在增加。这一点不同于基于半导体的商用闪存,因为不管任何半导体工艺,更多存储容量都意味着更大的晶圆面积,而这等同于成本的线性增长。

随着人们对便携式数字消费电子产品需求上升,可以满足这些产品高级应用的大容量存储设备也越来越受到重视,对消费者来说,MP3和多媒体播放器等设备的吸引力常常在于它们能够存储且方便存取的音乐、数据和视频内容的容量。此外,由于3G和EDGE技术使移动电话的数据传输率变得更快,一些高级功能也需要手机有更大存储器,从全球卫星定位到视频游戏,新型应用都要求移动设备有GB级数据存储能力。

在消费类产品中使用硬盘驱动器(HDD)的做法在增多,这很大程度上是由于它们提供的每GB存储器成本较低,特别是和闪存等半导体存储器相比。尽管闪存的确能提供更低的绝对存储成本,但这只对512MB以下存储容量适用。随着消费电子设备不断实现更多功能,如视频记录、百万像素数字摄影和高容量数字音乐库,至少1GB存储量已迅速成为这些应用的基本要求,而这样大的容量只能靠硬盘才能经济地实现,因为硬盘体积小、操作速度快而且更省电。

硬盘在容量上的优势来源于磁存储媒介的实际位密度,该密度值以每年30~40%的速度增长。高度商业化电子设备和机???结构的采用保证了这种增速,因此大容量驱动器的成本基本不会变化,尽管它所提供的存储容量在增加。这一点不同于基于半导体的商用闪存,因为不管任何半导体工艺,更多存储容量都意味着更大的晶圆面积,而这等同于成本的线性增长。采用旋转式磁存储器(1.8英寸或更小)的便携设备目前所达到的容量范围在2到60GB之间。

磁存储设备类型及与闪存的比较

目前的微型旋转式磁存储设备有两种形式,第一种是传统的PC硬盘驱动器设计,它的尺寸已缩小到1.0英寸和0.85英寸;第二种叫做“存储基元”(SE),是一种嵌入式器件,它采用独特的低元件数设计,因此能以比传统硬盘架构更低的成本实现大容量存储。

尽管这两种结构在一些地方有所不同,但与基于闪存的方案相比,就提供大容量存储来说不论是硬盘还是SE它们在体积、速度和功耗等方面都有一些共同的优势。

从体积来看,旋转式磁存储设备方案可以同商用闪存的尺寸相媲美。目前在便携设备中最流行的闪存是SD卡,其尺寸是32mm×24mm×3.2mm,不管是小型0.85英寸硬盘还是SE(有望做到27mm×27mm×3.2mm)在尺寸上都能达到与SD相当。这些大容量磁存储器不会与便携式消费电子产品有限的空间要求相冲突。

由于具有很快的读/写速度,硬盘在管理大型多媒体文件方面比基于闪存的方案性能更好,例如一个10分钟的电影片段(MPEG-4 VGA格式,200MB)可以在10秒内写入硬盘,而传输速率为1MB/s的闪存做同样的事情可能需要三分钟以上。在读MPEG视频多媒体格式时,更高的数据速率和系统存储缓存使得硬盘或SE能够在高达95%的时间都处于空闲状态,在数据访问上的时间节省有助于降低总功耗。尽管也有更新更快的闪存正在出现,但它们在价格上比其较慢的前一代产品要贵。

针对便携设备的新型架构

为了实现所有的功能,不管是硬盘还是SE都需要一些相同的IC元件,图1显示了四个关键元件的位置。其中硬盘控制器(HDC)提供主机和驱动器之间的联系,读通道(RC)对来自磁介质的数据进行解码,前置放大器(PA)集成电路则对来自驱动器的低电压信号进行放大并完成必要的整形,最后是一个马达控制器,用来定位磁头并调整???撑传动轴到适当的速度,这一切动作都是根据硬盘控制器发出的指令来进行的。旋转式磁存储设备所需的其它有源电子元件还包括高速缓存用存储器,以及一个在存储设备和主机之间传输数据的接口。

为了满足便携电子设备的功耗和体积要求,芯片供应商和存储器制造商似乎在走两条相反的道路(图2)。第一条路是将非硬盘功能IP集成到硬盘的系统级芯片(SoC)上,以减少最终产品的总体成本、功耗和尺寸。目前,一个典型的硬盘驱动SoC集成有RC、HDC、嵌入式微处理器、程序存储器和高性能输入/输出接口,再进一步,硬盘SoC将可以集成编解码器之类非硬盘驱动IP进行音频和视频压缩和手机信号处理,以实现用于音频放大器、液晶显示器、无线局域网设备和附加系统存储器的驱动。

第二条路是把硬盘驱动器本身的大部分电子元件去掉,将这些模块同板级或芯片级集成专用电子产品重新结合起来。存储器IP可以和最终产品的存储器和微处理器共享存储器容量和处理周期,从而避免了元件重复。SE就是用这种方法的一个例子,它把HDC移到主机设备电路板上,通过把该HDC集成进主机设备处理器功能之中,就有可能既降低成本又减少空间,并增加这些设备共享存储器的耦合度,从而将功耗降到最低。

这些结构中所用的元件已经历过不断的变化,对更低成本和更低功耗电子产品的需求已促使硬盘芯片公司提供全新的硅架构以及适应硅片制造的新工艺技术。新技术使得RC和HDC元件可以为超低功耗进行定制,允许硬盘和SE供应商将旋转式磁存储设备的电流减小,使读/写操作最大电流只有300mA。由比较可知,商用闪存需要约500mA来写高容量数据,在采用优化的存储器集成电路以后,旋转式磁存储设备不仅需要的电流更小,而且可用短得多的时间完成这个任务,因为其读写速度更快,所以还能够进一步减小电池的消耗。

加强供应链合作

在当今市场上,PC生产商正在同硬盘供应商密切合作以确定存储设备需求及其性能特征,不过消费电子制造商是旋转式磁存储设备的全新用户,他们并没有太多参与特别为适应他们应用的存储器需求和指标制定工作。

考虑到便携设备大容量存储器的新架构仍处于发展变化之中,消费电子制造商有必要同整个供应链进行更紧密的合作。如果没有存储器供应商和消费电子制造商以及芯片生产商之间的紧密合作,前面介绍的SE配置将不可能实现。

旋转式磁存储设备和便携消费产品在信号处理方面有些类似之处,如果把这些功能结合在一个的芯片上将可能实现更高的空间和成本效率。元件和系统集成的分界线已开始发生变化,只有供应商和客户之间的密切合作才能确保新的大容量便携设备提供最佳的体积、功耗和性能组合。

作者:Fadi Afa Al-Refaee


存储事业部战略行销经理


杰尔系统公司






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