微控制器的存儲(chǔ)架構(gòu)可能很簡(jiǎn)單(圖1),。但是,，隨著應(yīng)用開(kāi)始朝便攜化、虛擬化和個(gè)性化方向發(fā)展,，它們現(xiàn)在變得相當(dāng)復(fù)雜,。多核(multicore)、許多核(many core)和集群架構(gòu),，它們同樣在一個(gè)設(shè)備中融合了各種存儲(chǔ)技術(shù),。高端微處理器將多個(gè)緩存級(jí)別與超多的互連和緩存一致方案整合在一起。
不久以前,，高速緩存缺失還只能調(diào)用擴(kuò)展到附近硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的事件鏈,。而現(xiàn)在，這種效應(yīng)已經(jīng)擴(kuò)展到固態(tài)磁盤(pán)(SDD)驅(qū)動(dòng)器和硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器,，或者可能通過(guò)iSCSI將頁(yè)面提供給虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)從而延伸到云或局域網(wǎng)(LAN),。并且，與應(yīng)用程序相關(guān)的所有操作都以透明方式處理,。
盡管如此,，設(shè)計(jì)人員、開(kāi)發(fā)人員,、管理人員和用戶(hù)還需要考慮系統(tǒng)要使用的存儲(chǔ)器類(lèi)型和數(shù)量及其配置方式,。由于選擇方案多種多樣，他們現(xiàn)在所面臨的挑戰(zhàn)比過(guò)去更大,。
圖1：現(xiàn)在,，存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)的范圍相當(dāng)廣泛,。它甚至可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接擴(kuò)展到云領(lǐng)域。
DRAM發(fā)展動(dòng)態(tài)
DRAM的容量越來(lái)越大,，速度越來(lái)越高,，價(jià)格也越來(lái)越便宜。DDR3雙列直插內(nèi)存模塊(DIMM)目前的最高容量已經(jīng)達(dá)到16GB,，運(yùn)行速率為533至800MHz,，支持1066至1600 Mtransfers/s。標(biāo)準(zhǔn)DDR3的工作電壓為1.5V,，但是最新的低功耗DDR3L的工作電壓為1.35 V,，可以顯著降低功耗和減少發(fā)熱。
DIMM和小外形DIMM(SODIMM)是臺(tái)式電腦,、服務(wù)器和筆記本電腦的標(biāo)準(zhǔn)配置,，而嵌入式存儲(chǔ)要求同樣永無(wú)止境。BGA器件(比如Micron的DDR3芯片)因其外形尺寸而受到移動(dòng),、工業(yè)和耐用型應(yīng)用的青睞(圖2),。DDR3內(nèi)存與處理器的堆疊式封裝匹配，在蘋(píng)果iPad等高端移動(dòng)設(shè)備中非常普遍,。
圖2：Micron公司的DDR3 BGA芯片非常適合用于嵌入式設(shè)計(jì),。
BGA封裝可以為耐用型應(yīng)用提供內(nèi)存，但是對(duì)耐用型存儲(chǔ)器的需求仍然沒(méi)有降溫,。SFF-SIG的RS-DIMM平臺(tái)填補(bǔ)了這一空白(圖3),。該模塊的尺寸為67.5mm×38mm×7.36mm(長(zhǎng)×寬×高)，支持9芯片和18芯片設(shè)計(jì),。用于DDR3的Samtec連接器的引腳分布,，類(lèi)似于標(biāo)準(zhǔn)DIMM的引腳分布。該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了可選的SATA接口,。
除了臺(tái)式電腦,、筆記本電腦和服務(wù)器領(lǐng)域的其他內(nèi)存替代市場(chǎng)外，DDR3已經(jīng)占領(lǐng)了幾乎所有市場(chǎng),。不過(guò),，它確實(shí)還沒(méi)能取代嵌入式設(shè)計(jì)中的DDR2，在嵌入式設(shè)計(jì)中,，兼容性和低速率較為普遍,。芯片和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所面臨的挑戰(zhàn)是，DDR3的低功耗,、高容量和成本優(yōu)勢(shì)非常明顯。此外,，仍有大量的微控制器沒(méi)有DDR3的速度或存儲(chǔ)要求,，而片上存儲(chǔ)器又不足以滿足要求,。
GDDR5顯存基于DDR3。由于其設(shè)計(jì)規(guī)則與DDR3相似,，因此有助于降低成本和簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),。與上一代相比，GDDR5的數(shù)據(jù)線路數(shù)有所增加,。它現(xiàn)在主要用于高性能圖形和超級(jí)計(jì)算機(jī)環(huán)境,。
到目前為止，各種DDR實(shí)現(xiàn)方案采用的都是單端信令技術(shù),。截至目前,，設(shè)計(jì)必須遵從信令限制，但是隨著實(shí)現(xiàn)的速度越來(lái)越高,，這種局面有可能發(fā)生變化,。高速串行接口，比如PCI Express,、USB 3.0,、SATA和串行連接SCSI(SAS)，采用的都是差分信令技術(shù),。DDR可能也會(huì)經(jīng)歷這個(gè)階段,。
Rambus公司的太比特倡儀(Terabit Initiative)是該公司針對(duì)用于新一代內(nèi)存的差分信令系統(tǒng)所提出的倡儀。該公司正在展示為應(yīng)對(duì)這種轉(zhuǎn)變而推出的20Gbps串并轉(zhuǎn)換器(SERDES),。
微控制器的存儲(chǔ)架構(gòu)可能很簡(jiǎn)單(圖1),。但是，隨著應(yīng)用開(kāi)始朝便攜化,、虛擬化和個(gè)性化方向發(fā)展,，它們現(xiàn)在變得相當(dāng)復(fù)雜。多核(multicore),、許多核(many core)和集群架構(gòu),，它們同樣在一個(gè)設(shè)備中融合了各種存儲(chǔ)技術(shù)。高端微處理器將多個(gè)緩存級(jí)別與超多的互連和緩存一致方案整合在一起,。
不久以前,，高速緩存缺失還只能調(diào)用擴(kuò)展到附近硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的事件鏈。而現(xiàn)在,，這種效應(yīng)已經(jīng)擴(kuò)展到固態(tài)磁盤(pán)(SDD)驅(qū)動(dòng)器和硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器,，或者可能通過(guò)iSCSI將頁(yè)面提供給虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)從而延伸到云或局域網(wǎng)(LAN)。并且,，與應(yīng)用程序相關(guān)的所有操作都以透明方式處理,。
盡管如此，設(shè)計(jì)人員,、開(kāi)發(fā)人員,、管理人員和用戶(hù)還需要考慮系統(tǒng)要使用的存儲(chǔ)器類(lèi)型和數(shù)量及其配置方式,。由于選擇方案多種多樣，他們現(xiàn)在所面臨的挑戰(zhàn)比過(guò)去更大,。
圖1：現(xiàn)在,，存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)的范圍相當(dāng)廣泛。它甚至可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接擴(kuò)展到云領(lǐng)域,。
DRAM發(fā)展動(dòng)態(tài)
DRAM的容量越來(lái)越大,，速度越來(lái)越高，價(jià)格也越來(lái)越便宜,。DDR3雙列直插內(nèi)存模塊(DIMM)目前的最高容量已經(jīng)達(dá)到16GB,，運(yùn)行速率為533至800MHz，支持1066至1600 Mtransfers/s,。標(biāo)準(zhǔn)DDR3的工作電壓為1.5V,，但是最新的低功耗DDR3L的工作電壓為1.35 V，可以顯著降低功耗和減少發(fā)熱,。
DIMM和小外形DIMM(SODIMM)是臺(tái)式電腦,、服務(wù)器和筆記本電腦的標(biāo)準(zhǔn)配置，而嵌入式存儲(chǔ)要求同樣永無(wú)止境,。BGA器件(比如Micron的DDR3芯片)因其外形尺寸而受到移動(dòng),、工業(yè)和耐用型應(yīng)用的青睞(圖2)。DDR3內(nèi)存與處理器的堆疊式封裝匹配,，在蘋(píng)果iPad等高端移動(dòng)設(shè)備中非常普遍,。
圖2：Micron公司的DDR3 BGA芯片非常適合用于嵌入式設(shè)計(jì)。
BGA封裝可以為耐用型應(yīng)用提供內(nèi)存,，但是對(duì)耐用型存儲(chǔ)器的需求仍然沒(méi)有降溫,。SFF-SIG的RS-DIMM平臺(tái)填補(bǔ)了這一空白(圖3)。該模塊的尺寸為67.5mm×38mm×7.36mm(長(zhǎng)×寬×高),，支持9芯片和18芯片設(shè)計(jì),。用于DDR3的Samtec連接器的引腳分布，類(lèi)似于標(biāo)準(zhǔn)DIMM的引腳分布,。該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了可選的SATA接口,。
除了臺(tái)式電腦、筆記本電腦和服務(wù)器領(lǐng)域的其他內(nèi)存替代市場(chǎng)外,，DDR3已經(jīng)占領(lǐng)了幾乎所有市場(chǎng),。不過(guò)，它確實(shí)還沒(méi)能取代嵌入式設(shè)計(jì)中的DDR2,，在嵌入式設(shè)計(jì)中,，兼容性和低速率較為普遍。芯片和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所面臨的挑戰(zhàn)是，DDR3的低功耗,、高容量和成本優(yōu)勢(shì)非常明顯,。此外，仍有大量的微控制器沒(méi)有DDR3的速度或存儲(chǔ)要求,，而片上存儲(chǔ)器又不足以滿足要求。
GDDR5顯存基于DDR3,。由于其設(shè)計(jì)規(guī)則與DDR3相似,，因此有助于降低成本和簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。與上一代相比,，GDDR5的數(shù)據(jù)線路數(shù)有所增加,。它現(xiàn)在主要用于高性能圖形和超級(jí)計(jì)算機(jī)環(huán)境。
到目前為止,，各種DDR實(shí)現(xiàn)方案采用的都是單端信令技術(shù),。截至目前，設(shè)計(jì)必須遵從信令限制,，但是隨著實(shí)現(xiàn)的速度越來(lái)越高,，這種局面有可能發(fā)生變化。高速串行接口,，比如PCI Express,、USB 3.0、SATA和串行連接SCSI(SAS),，采用的都是差分信令技術(shù),。DDR可能也會(huì)經(jīng)歷這個(gè)階段。
Rambus公司的太比特倡儀(Terabit Initiative)是該公司針對(duì)用于新一代內(nèi)存的差分信令系統(tǒng)所提出的倡儀,。該公司正在展示為應(yīng)對(duì)這種轉(zhuǎn)變而推出的20Gbps串并轉(zhuǎn)換器(SERDES),。
FlexMode設(shè)計(jì)定義了可處理DDR3、GDDR5及其新差分支持的接口,，采用同一組引腳,，由于差分對(duì)需要兩倍的線路，因此引腳的用途并不相同,。
這種技術(shù)用控制/尋址(C/A)引腳換來(lái)了額外的差分?jǐn)?shù)據(jù)引腳,。C/A信號(hào)也是差分信號(hào)，這就進(jìn)一步減少了實(shí)際的C/A信號(hào)量,。該設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)的原因在于C/A線路數(shù)據(jù)速率的提高,。
串行端口內(nèi)存技術(shù)(SPMT)聯(lián)盟正在采用另一種差分技術(shù)。其解決方案針對(duì)移動(dòng)設(shè)備,，采用低壓差分信令(LVDS)系統(tǒng),，這種系統(tǒng)像PCI Express一樣可以通過(guò)增加通道進(jìn)行擴(kuò)展。與PCI Express一樣，SPMT是一種自同步技術(shù),。20引腳的方案具有6GBps的帶寬,。
非易失性存儲(chǔ)器
NAND和NOR閃存技術(shù)仍是非易失性存儲(chǔ)器的核心，但磁阻(MRAM),、鐵電RAM(FRAM)和相變存儲(chǔ)器(PCM)等其他技術(shù)正在逐步普及,。單個(gè)系統(tǒng)一般都融合了多種技術(shù)?；谖⒖刂破鞯莫?dú)立冗余磁盤(pán)陣列(RAID)系統(tǒng)可能將NAND或NOR閃存用于程序存儲(chǔ)器,，而將MRAM、FRAM或PCM用于RAID數(shù)據(jù)表,，來(lái)替代帶蓄電池后備電源的動(dòng)態(tài)RAM(DRAM),。
所有這些技術(shù)的存儲(chǔ)容量都在日益增長(zhǎng)，其中以NAND的容量最大,，這是因?yàn)镹AND更多地使用了多級(jí)單元(MLC),，盡管單級(jí)單元(SLC)NAND閃存仍可提供比較理想的成本、吞吐能力,、使用壽命和可靠性,。MLC也可與NOR技術(shù)配合使用。
大多數(shù)USB閃存驅(qū)動(dòng)器和其他移動(dòng)存儲(chǔ)卡都將采用MLC NAND閃存,。與高級(jí)閃存控制器配合使用時(shí),，它甚至還可以用于高容量企業(yè)驅(qū)動(dòng)器中。企業(yè)級(jí)產(chǎn)品的最佳使用壽命是五年,，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員一般都要求閃存驅(qū)動(dòng)器的“保質(zhì)期”至少有五年,。
盡管閃存的速度很快，但是6Gbps SATA和多通道PCI Express等接口正在推動(dòng)著SSD控制器技術(shù)的發(fā)展,。除了性能和可靠性之外,，MLC閃存控制器還面臨著諸多挑戰(zhàn)。
區(qū)塊循環(huán)和負(fù)載均衡是驅(qū)動(dòng)器具有長(zhǎng)使用壽命的關(guān)鍵,。甚至溫度管理對(duì)使用壽命也有影響,。SandForce是一家閃存控制器供應(yīng)商。該公司的DuraClass RAISE(獨(dú)立硅元素冗余陣列)技術(shù)采用了RAID架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)閃存區(qū)塊故障的恢復(fù),。
NOR閃存的應(yīng)用范圍已經(jīng)覆蓋到更嚴(yán)苛的環(huán)境中,。Spansion公司的65nm MirrorBit GL-s 2Gb技術(shù)，可用于溫度范圍為–40°C至105°C的汽車(chē)車(chē)內(nèi)應(yīng)用,。它現(xiàn)在采用9mm×9mm BGA封裝,。
此外，NOR閃存還擁有支持直接從閃存執(zhí)行代碼的優(yōu)勢(shì),。三星等公司正在結(jié)合使用SRAM和NAND閃存,，從而向NOR閃存提出挑戰(zhàn)。三星的OneNAND在其N(xiāo)AND控制器中集成了3KB SRAM緩沖器。必要時(shí),，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)此控制器的接口連接外部NOR閃存,。
兩線和四線串行外設(shè)接口(SPI)也會(huì)影響非易失性存儲(chǔ)器的應(yīng)用領(lǐng)域，非易失性存儲(chǔ)器一般用來(lái)替代并行存儲(chǔ)器芯片,。大多數(shù)非易失性存儲(chǔ)器都附帶這類(lèi)接口,。
NXP公司基于Cortex-M3的LPC1800微處理器甚至可以從四線SPI存儲(chǔ)器運(yùn)行，而不僅僅是引導(dǎo),。最近,，LPC1800還強(qiáng)調(diào)在微控制器中混合使用存儲(chǔ)器。此器件具有片上ROM,、一次性可編程(OTP)存儲(chǔ)器、閃存和SRAM,。
圖3：SFF-SIG的RS-RIMM模塊可將移動(dòng)存儲(chǔ)器應(yīng)用到耐用型應(yīng)用中,。
OTP存儲(chǔ)器是另一種往往被人們所忽略的非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)。Kilopass和Sidense等公司可以為各種應(yīng)用提供反熔絲OTP技術(shù),。OTP可以實(shí)現(xiàn)安全和低功耗的運(yùn)行,，還能夠方便地整合到大多數(shù)廠商支持的現(xiàn)有CMOS制造流程中。該技術(shù)通常用于密鑰或配置存儲(chǔ)器,，還可以用來(lái)替代ROM,。
圖4：Rambus FlexMode架構(gòu)將采用同樣的內(nèi)存外形尺寸和連接，但是會(huì)用差分信號(hào)替代單端通信,。這需要增加一倍的線纜,。實(shí)現(xiàn)該目的的具體做法是：減小控制/尋址(C/A)信號(hào)的寬度，同時(shí)提高其吞吐能力,。
磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器容量節(jié)節(jié)攀升
Seagate公司的6Gbps,、3TB Barracuda XT硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器(HDD)在容量上突破了Windows XP的2.1TB極限。值得慶幸的是,，像Windows 7和Linux等大多數(shù)64bit操作系統(tǒng)都不存在大容量3TB分區(qū)的問(wèn)題,。
不過(guò)3TB驅(qū)動(dòng)器帶來(lái)了統(tǒng)一可擴(kuò)展固件接口(UEFI)BIOS。設(shè)計(jì)UEFI旨在解決PC BIOS的局限性,。它可以處理GUID分區(qū)表(GPT),，并且可以提供更快的引導(dǎo)時(shí)間，同時(shí)支持獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器,。
這些大硬盤(pán)在舊操作系統(tǒng)中的應(yīng)用有可能實(shí)現(xiàn),。硬盤(pán)附帶的Seagate DiscWizard軟件通過(guò)分區(qū)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這種轉(zhuǎn)變很有可能推動(dòng)眾多設(shè)計(jì)人員使用更新的平臺(tái),。
Seagate發(fā)布的大硬盤(pán)產(chǎn)品強(qiáng)調(diào)的另一個(gè)問(wèn)題,，是從傳統(tǒng)的512B扇區(qū)轉(zhuǎn)向4kB扇區(qū)。除了提供更高的吞吐能力之外，4Kb扇區(qū)還能夠更好地滿足操作系統(tǒng)要求,。
大多數(shù)母板都已經(jīng)支持4KB扇區(qū),，甚至Windows XP也支持。所有目前的臺(tái)式電腦和服務(wù)器操作系統(tǒng)亦然,。操作系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存支持一般采用4kB頁(yè)面大小或者該大小的倍數(shù)進(jìn)行配置,。
有些驅(qū)動(dòng)器同時(shí)支持兩種扇區(qū)大小。這些驅(qū)動(dòng)器一般實(shí)現(xiàn)4kB扇區(qū),，需要時(shí)可以將較小的扇區(qū)大小映射到這些驅(qū)動(dòng)器上,。驅(qū)動(dòng)器將采用一種模式或另外一種模式工作。
由于成本的原因,，很少有閃存驅(qū)動(dòng)器的容量達(dá)到3TB,，但是從總體來(lái)看，閃存驅(qū)動(dòng)器的采用量在上升,。芯片價(jià)格低是一大因素,，但是SSD控制器芯片性能獲得提升也是一個(gè)因素。推動(dòng)存儲(chǔ)器發(fā)展到新領(lǐng)域的另一個(gè)方面是閃存能力適合新的應(yīng)用領(lǐng)域,。
Viking Module Solutions公司的SATADIMM和SATACube3,，可以實(shí)現(xiàn)更加緊湊的嵌入式解決方案(圖5)。SATADIMM插入DDR3插座獲取電源,。它包含SATA線纜連接,。設(shè)計(jì)合理的系統(tǒng)可以在未使用的DIMM插座引腳上運(yùn)行SATA接口。SATACube3為定制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供耐用型存儲(chǔ)器,。
圖5：Viking Module Solutions SATADIMM(a)和SATACube(b)將SATA閃存驅(qū)動(dòng)器放至相關(guān)位置,。SATADIMM插入DDR3插座。
像Seagate公司的Momentus XT等混合驅(qū)動(dòng)器,，在單個(gè)封裝中整合了閃存和硬盤(pán),，但這種技術(shù)不是實(shí)現(xiàn)混合驅(qū)動(dòng)器技術(shù)的唯一方法。Marvell公司的SATA控制器HyperDuo技術(shù)就是另外一種途徑,。HyperDuo可以應(yīng)用在新型母板和HighPoint的RocketHybrid這樣的PCI Express適配器上(圖6),。
Marvell的雙端口SATA控制器可以像傳統(tǒng)控制器一樣處理任何類(lèi)型的SATA驅(qū)動(dòng)器。其HyperDuo模式與一個(gè)閃存驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器配合使用,。操作系統(tǒng)是微軟最新支持NTFS的操作系統(tǒng)中的一種,。
HyperDuo可以在“安全”或“容量”模式下工作。安全模式的工作方式類(lèi)似于緩存,，在此模式下,，常用文件同時(shí)存儲(chǔ)在硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和閃存驅(qū)動(dòng)器上。其優(yōu)勢(shì)在于,，硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器始終包含有效的文件系統(tǒng),。容量模式類(lèi)似于RAID 0,，在此模式下，數(shù)據(jù)被分割到兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器中,。系統(tǒng)需要兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器都工作,。
HyperDuo與大多數(shù)其他混合解決方案之間最大的不同在于，HyperDuo在文件級(jí)別運(yùn)行,，而不是在扇區(qū)級(jí)別運(yùn)行,。另一個(gè)不同之處是，到閃存的所有數(shù)據(jù)傳輸都發(fā)生在訪問(wèn)文件之后,，而不在訪問(wèn)過(guò)程中傳輸,。
此過(guò)程可以透明方式進(jìn)行，高級(jí)用戶(hù)可以明確地對(duì)閃存中的文件進(jìn)行pin操作,。這種技術(shù)比SAS控制器(一般提供基于閃存的緩存)的成本低,，因?yàn)镠yperDuo可以充分利用SATA控制器上的ARM處理器，并且不需要片外存儲(chǔ)器或者帶蓄電池后備電源的緩存,。
像LSI公司的MegaRAID控制器等SAS控制器,，一般采用更加傳統(tǒng)的緩存技術(shù)。具體來(lái)講,，LSI CacheCade采用閃存驅(qū)動(dòng)器作為一組硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的二級(jí)緩存層。它可以處理容量高達(dá)512GB的陣列,。Adaptec公司的maxCache包含硬件和軟件,。
CacheCade的工作方式類(lèi)似于典型的緩存控制器，它將常用扇區(qū)的數(shù)據(jù)加載到閃存中,。性能往往高出混合驅(qū)動(dòng)器很多,，閃存的數(shù)量由所有者控制。系統(tǒng)可以處理多達(dá)32個(gè)SSD,。
其他差別,，也就是大多數(shù)SAS控制器支持的能力在于，可以將存儲(chǔ)器作為虛擬驅(qū)動(dòng)器,。同樣,，存儲(chǔ)器可以基于RAID配置。比如,，單個(gè)控制器可以處理像RAID 5,、RAID 0和RAID 60陣列的組合，其中每個(gè)陣列都包含多個(gè)虛擬驅(qū)動(dòng)器,。反過(guò)來(lái),，這些配置中的任意一種配置都可以與閃存匹配。這些控制器一般用于企業(yè)服務(wù)器,，配置往往更加簡(jiǎn)單,，只有單個(gè)RAID陣列,。互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商(ISP)和企業(yè)環(huán)境可以充分發(fā)揮虛擬化技術(shù)的優(yōu)勢(shì),，但是可能需要具有不同特性的多種虛擬驅(qū)動(dòng)器,。此外，這些比較昂貴的SAS控制器還可以處理這些常規(guī)操作,。
圖6：HighPoint公司的RocketHybrid采用Marvell公司的HyperDuo SATA控制器技術(shù)在單個(gè)Windows混合存儲(chǔ)設(shè)備中整合了硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和固態(tài)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器,。
盡管SATA和SAS閃存驅(qū)動(dòng)器有許多優(yōu)勢(shì)，但是接口卻有帶寬限制,。閃存的運(yùn)行速度可能比硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器快,，供應(yīng)商將提供使用PCI Express連接至主機(jī)的解決方案。PCI Express可以通過(guò)增加通道數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展,。
Fusion-io公司的ioDrive Octal板通過(guò)x16 PCI Express連接提供閃存(圖7),。它支持6Gbps帶寬，可提供高達(dá)每秒1百萬(wàn)次I/O操作的速度,。此板以模塊化形式構(gòu)建,，可處理容量高達(dá)5.12 TB的閃存。ioDrive Octal的外觀與傳統(tǒng)的模塊設(shè)備相似,。
圖7： Fusion-io公司的ioDrive Octal板通過(guò)PCI Express提供閃存,，可提供6GBps的帶寬和高達(dá)5.12 TB的存儲(chǔ)容量。
基于PCI Express的閃存解決方案現(xiàn)在可謂遍地開(kāi)花,。耐用型應(yīng)用可以采用Extreme Engineering Solutions XPort6103 XMC模塊這樣的產(chǎn)品(圖8),。
XPort6103可以提供容量高達(dá)0.5TB的閃存。它采用PCI Express x1接口,，提供可選的3Gbps SATA和加密支持配置,。此外，由于在嵌入式應(yīng)用中很有可能會(huì)興起長(zhǎng)使用壽命優(yōu)于高容量這樣一種趨勢(shì),，因此XPort6103采用SLC NAND閃存,。其讀性能和寫(xiě)性能分別為200MBps 和120MBps。
圖8： Extreme Engineering Solutions XPort6103模塊插入XMC插槽,，具有高達(dá)0.5TB的閃存容量,。
非易失性存儲(chǔ)器主機(jī)控制器接口(NVMHCI)工作組的NVM Express規(guī)范，是一個(gè)針對(duì)基于PCI Express存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)的新標(biāo)準(zhǔn),。此標(biāo)準(zhǔn)受到包括英特爾在內(nèi)的眾多供應(yīng)商支持,。
網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)
這些存儲(chǔ)技術(shù)可滿足嵌入式應(yīng)用、PC和服務(wù)器環(huán)境的需求,，但還有另一個(gè)持續(xù)增長(zhǎng)的主要領(lǐng)域,，即網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)。“云”和“云存儲(chǔ)”一直都是最為熱門(mén)的話題,，其背后毫無(wú)疑問(wèn)需要技術(shù)支撐,。
現(xiàn)在,，文件服務(wù)器更有可能是帶一個(gè)或多個(gè)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)(NAS)設(shè)備。許多專(zhuān)用片上系統(tǒng)(SoC)都針對(duì)這一領(lǐng)域,，比如Applied Micro公司的多核Mamba以及PLX公司的NAS7825,。
這些芯片一般包含RAID加速芯片和多個(gè)吉比特以太網(wǎng)端口。對(duì)RAID 1和RAID 5的支持比較普遍,，而RAID 6以及RAID 50(RAID 5+0)與RAID 60的組合也很常見(jiàn),。加密支持也是這種混合配置的公共部分，它甚至可以在不使用硬件加密驅(qū)動(dòng)器的情況下實(shí)現(xiàn)安全存儲(chǔ),。此類(lèi)芯片可以實(shí)現(xiàn)低成本有線和無(wú)線NAS服務(wù)器,。
Marvell公司的Armada芯片是NAS設(shè)備的一種變體，此芯片一般用于被稱(chēng)為“插座式計(jì)算機(jī)”的設(shè)備,，PogoPlug公司的產(chǎn)品系列就是這種設(shè)備的一個(gè)例子,。PogoPlug Pro支持多達(dá)四個(gè)USB外部驅(qū)動(dòng)器，這些驅(qū)動(dòng)器一般都是硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器(圖9),。此外,，前面板USB連接也是專(zhuān)為USB閃存驅(qū)動(dòng)器而設(shè)計(jì)的。
圖9：PogoPlug是一個(gè)帶四個(gè)USB端口的NAS設(shè)備,，僅支持外部存儲(chǔ),。其互聯(lián)網(wǎng)支持是PogoPlug區(qū)別于大多數(shù)NAS的差異化功能。
插頭技術(shù)非常靈活,，但是這種技術(shù)只是這些NAS設(shè)備的起點(diǎn),。其互聯(lián)網(wǎng)連接能力和相關(guān)應(yīng)用使這些設(shè)備脫穎而出。PogoPlug Web站點(diǎn)充當(dāng)連接到互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的網(wǎng)關(guān),，支持臺(tái)式電腦或智能手機(jī)等其他設(shè)備訪問(wèn)NAS設(shè)備上的數(shù)據(jù)。
這里的主要技巧是克服LAN上的NAS設(shè)備與連接到互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備(比如臺(tái)式電腦或智能手機(jī))之間的防火墻和網(wǎng)關(guān)問(wèn)題,。由于允許通過(guò)LAN防火墻/網(wǎng)關(guān)通信,，因此PogoPlug的免費(fèi)服務(wù)通過(guò)其互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器執(zhí)行與連接到該服務(wù)器的NAS設(shè)備的通信，從而解決了上述防火墻和網(wǎng)關(guān)問(wèn)題,。
最初的服務(wù)只包含基本文件共享,。不過(guò)現(xiàn)在這些服務(wù)已經(jīng)得到了擴(kuò)充，包含對(duì)多媒體流,、打印機(jī)熱點(diǎn)和電子郵件打印等功能的支持?，F(xiàn)在設(shè)備之間甚至出現(xiàn)了Dropbox形式的共享。PogoPlug商業(yè)版增加了多個(gè)用戶(hù)支持以及使用和審計(jì)功能,。
與Dropbox不同的是,，PogoPlug的存儲(chǔ)容量?jī)H受連接到NAS設(shè)備的限制。其缺點(diǎn)一般是上傳端的連接帶寬,，因?yàn)榇蠖鄶?shù)用戶(hù)連接都是非對(duì)稱(chēng)連接,。使用更快的線纜和光纖到家連接時(shí)一般都不存在這個(gè)問(wèn)題,。
技術(shù)性更強(qiáng)的“云存儲(chǔ)”平臺(tái)往往基于存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(SAN)。SAN已經(jīng)成為存儲(chǔ)容量達(dá)到千兆兆字節(jié)(petabyte)甚至艾字節(jié)(exabyte)的企業(yè)服務(wù)器農(nóng)場(chǎng)的存儲(chǔ)骨干,。光纖通道正是用在這種應(yīng)用中,，盡管iSCSI是目前首屈一指的存儲(chǔ)技術(shù)。
光纖通道可以滿足運(yùn)行速率高達(dá)10Gbps的硬件接口和存儲(chǔ)通信協(xié)議的要求,。它專(zhuān)門(mén)針對(duì)大型,、高性能、高可靠性存儲(chǔ)集群而設(shè)計(jì),。以太網(wǎng)光纖通道(FCoE)標(biāo)準(zhǔn)已將協(xié)議轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)上,，隨著集群計(jì)算轉(zhuǎn)移到最前端，這種標(biāo)準(zhǔn)的重要性與日俱增,。
早在新一代的SCSI技術(shù)SAS驅(qū)動(dòng)器推出之前,，iSCSI標(biāo)準(zhǔn)就已經(jīng)啟動(dòng)了，但是iSCSI標(biāo)準(zhǔn)與底層硬件無(wú)關(guān),。其命令集影像了那些被SCSI及后來(lái)的SAS驅(qū)動(dòng)器所使用的命令,，不過(guò)iSCSI是針對(duì)SAN設(shè)計(jì)的基于網(wǎng)絡(luò)的區(qū)塊存儲(chǔ)協(xié)議。NAS設(shè)備往往支持iSCSI協(xié)議,?；贐SD(伯克利軟件分發(fā))的FreeNAS等開(kāi)源平臺(tái)具有iSCSI支持。同樣,，許多母板和以太網(wǎng)適配器通過(guò)iSCSI提供網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)能力,，但是大容量驅(qū)動(dòng)器則來(lái)自虛擬化服務(wù)器。
Amazon和Google等提供的云計(jì)算服務(wù)一般以虛擬化服務(wù)器為中心進(jìn)行構(gòu)建,，這些服務(wù)器通過(guò)iSCSI連接運(yùn)行SAN存儲(chǔ)器鏈接,。這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)將存儲(chǔ)和計(jì)算組件分布在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。此外還允許服務(wù)提供商處理配置,，同時(shí)提供對(duì)可以直接訪問(wèn)虛擬環(huán)境的服務(wù)用戶(hù)的免費(fèi)管理,。
到這里為止所闡述的問(wèn)題是，術(shù)語(yǔ)“網(wǎng)絡(luò)”涵蓋了諸多領(lǐng)域,。在這種情況下,，用于云計(jì)算的SAN往往是一個(gè)隔離網(wǎng)絡(luò)，可能在一個(gè)虛擬化網(wǎng)絡(luò)內(nèi),。事實(shí)上,，一個(gè)服務(wù)提供商的環(huán)境中一般存在多個(gè)虛擬SAN，用于隔離客戶(hù)存儲(chǔ)和計(jì)算環(huán)境,。用于計(jì)算環(huán)境的虛擬機(jī)具有與客戶(hù)連接的網(wǎng)絡(luò)接口,，用于存儲(chǔ)環(huán)境的虛擬機(jī)則具有與iSCSI SAN連接的網(wǎng)絡(luò)接口。
來(lái)自虛擬機(jī)的iSCSI連接數(shù)一般不受其操作系統(tǒng)的限制,，因此虛擬機(jī)可能是由不同SAN服務(wù)器托管的訪問(wèn)邏輯iSCSI驅(qū)動(dòng)器,。同樣,，虛擬機(jī)不受iSCSI連接的限制。它還可以連接到文件服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器之類(lèi)的其他存儲(chǔ)解決方案,。
靈活性是iSCSI的主要優(yōu)勢(shì),，而安全性是另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。我們已經(jīng)討論了網(wǎng)絡(luò)隔離,，但是另一方面是iSCSI和SAS支持的端到端加密,。這種優(yōu)勢(shì)也將在企業(yè)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和SSD中越來(lái)越容易獲得。
安全存儲(chǔ)
SSD和HDD往往支持同一種安全措施,。全盤(pán)加密是其中一項(xiàng)功能,。首次使用自加密驅(qū)動(dòng)器時(shí)，訪問(wèn)該驅(qū)動(dòng)器上的數(shù)據(jù)需要正確的密鑰,。
然而,，由于密鑰用來(lái)加密和解碼驅(qū)動(dòng)器上的信息，因此這不僅僅是門(mén)控機(jī)制的問(wèn)題,。由于加密的原因,，直接繞過(guò)安全控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)?？尚牌脚_(tái)模塊(TPM)一般是混合方案的一個(gè)組件,，它可以提供安全引導(dǎo)支持。
訪問(wèn)密鑰一般可提供對(duì)用于加密過(guò)程的另一個(gè)密鑰的訪問(wèn),。這就允許使用多個(gè)訪問(wèn)密鑰,，因此企業(yè)密鑰具有對(duì)多個(gè)驅(qū)動(dòng)器的訪問(wèn)，個(gè)人密鑰則具有對(duì)與其密鑰匹配的驅(qū)動(dòng)器的訪問(wèn),。這種技術(shù)的一個(gè)相關(guān)功能是驅(qū)動(dòng)器基本上都可以通過(guò)破壞加密密鑰來(lái)擦除,。這種擦除可以通過(guò)一個(gè)命令來(lái)實(shí)現(xiàn)，而無(wú)加密驅(qū)動(dòng)器則通常采用覆蓋方法進(jìn)行擦除,?；谟布娜P(pán)加密的優(yōu)勢(shì)，是控制器可以處理詳細(xì)信息,。它們一般與硬件匹配，因此加密過(guò)程不會(huì)降低數(shù)據(jù)傳輸速率,。
新型SAS控制器旨在利用基于硬件的加密,。有些SAS控制器不需要硬件加密設(shè)備即可提供加密支持。SAS控制器一般支持一個(gè)或多個(gè)磁盤(pán)陣列,，一般使用熱插拔更換壞驅(qū)動(dòng)器,。由于驅(qū)動(dòng)器被更換或轉(zhuǎn)移到新的位置，密鑰管理現(xiàn)已成為控制器的一個(gè)問(wèn)題,。
遺憾的是,，與基于軟件的加密策略相比,，全盤(pán)加密可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)精細(xì)地使用存儲(chǔ)器。安全USB閃存驅(qū)動(dòng)器等一些系統(tǒng)可以將驅(qū)動(dòng)器分成兩個(gè)邏輯部分,，一個(gè)加密部分,，一個(gè)非加密部分。這兩個(gè)部分以?xún)蓚€(gè)驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn),，因此無(wú)需更改操作系統(tǒng),。
一種新的驅(qū)動(dòng)器支持T10保護(hù)信息(PI)端到端加密，包括Seagate公司的Constellation 2,。這種技術(shù)還需要操作系統(tǒng)和應(yīng)用支持,，因?yàn)轵?qū)動(dòng)器的扇區(qū)實(shí)際上更大。
在這種情況下,，應(yīng)用程序處理加密和解密過(guò)程,。這意味著，數(shù)據(jù)在離開(kāi)應(yīng)用程序之前是安全的,，因此研究iSCSI鏈路的通信沒(méi)什么作用,。
T10 PI還需要匹配的控制器支持，最新的SAS控制器可以提供這種支持,。另外,，由于復(fù)制數(shù)據(jù)可以提供對(duì)非加密內(nèi)容的訪問(wèn)，因此它還可以對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行備份,。
現(xiàn)在,，存儲(chǔ)問(wèn)題涵蓋的技術(shù)五花八門(mén)，嵌入式設(shè)計(jì)人員甚至也需要對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行考慮,。當(dāng)涉及到網(wǎng)絡(luò)時(shí),，存儲(chǔ)也不再局限于手頭的設(shè)備。