在行動電話年出貨量早已超過十億支的今天，手機儼然是當代消費性電子產品中最重要的項目之一。而對於設計開發的工程師來說，無時無刻不在面臨著行動電話手機對於更高容量、更優性能、更為省電之記憶體的挑戰。有鑑於此，本文特別針對次世代行動電話（Next-Generation Phone）之固態記憶體（Solid-State Memory）為主軸，來探討其與手機設計開發相關的話題。
Christian Roessle
編譯：柳林緯
隨著行動電話的不斷精進與發展，各式各樣手機用記憶體技術也陸續出籠。當今的使用者們，已經從單純的儲存通訊錄電話簿與簡訊，進展到上網、玩遊戲、欣賞串流影音、聽MP3音樂，甚至是拍照等形形色色的應用。
一般說來，每支行動電話都需要兩種類型的記憶體：揮發性（volatile）記憶體與非揮發性（nonvolatile）記憶體。後者主要是以類似快閃（flash）記憶體的方式，把作業系統與應用程式碼等儲存在其中。而揮發性記憶體則是儲存所有在使用中的各項資料。絕大多數的手機都使用了「本地執行」（XIP：execute-in-place，或譯為直接程式碼執行）技術，簡單來說，就是把作業系統與程式碼直接叫出來執行，而不需要先載入到系統的主記憶體DRAM（Dynamic RAM，動態隨機存取記憶體）中。
圖一：一般說來，每支行動電話都需要兩種類型的記憶體：揮發性（volatile）記憶體與非揮發性（nonvolatile）記憶體。（圖：http://dom.semi.org/web/wFiles.nsf/Lookup/SE06_Kari_Kulojarvi_-_Nokia/$file/SE06%20Kari%20Kulojarvi%20-%20Nokia.pdf）
然而，隨著「程式碼遮蔽」（code shadowing）的興起，系統的程式碼是儲存在低成本的NAND快閃記憶體元件中。（譯註：XIP平台的好處是延續了傳統的架構，不需要重寫軟體，除了有較低的功率消耗，也還可以提升開機的反應時間。而程式碼遮蔽則有比較好的成本優勢，以及更快的處理速度，並能融入其他更多新功能）在開機時，程式碼由NAND中載入到揮發性記憶體中，並隨即執行之。雖然，此舉會稍稍拉長開機的時間，但卻可大幅加快系統整體的運作。
入門級、智慧型、功能型
而為了滿足不同價格帶的行動電話手機，工程師得絞盡腦汁竭盡所能開發出不僅最具賣相還要能最低成本的產品，甚至是最輕巧的裝置體積。在所有產品價格帶最便宜端的「入門級」（entry）手機，價格與成本絕對是最最優先的要求。這類型的產品對於新興市場來說，是非常有號召力的，其商機更是驚人。由於只需要非常低的記憶容量，只要能讓系統正常運作，並儲存像是通訊錄、通話記錄，以及簡訊等就綽綽有餘了，一般而言，以往只要512Kbit至4Mbit的低功率SRAM（Static RAM，靜態隨機存取記憶體）並搭配8M至16Mb的NOR快閃記憶體或E2PROM（Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，電子抹除式可程式化唯讀記憶體）就可以了。而隨著記憶體價格的下滑以及新一代手機的技術標準也向上提升，故今後在這類型手機的記憶要求上，將以32/64Mb的NOR以及16/32Mb的PSRAM（pseudo SRAM譯為偽裝型SRAM或虛擬型SRAM）為主軸。至於在「超低成本手機」（ULCHs：ultra-low-cost handsets）產品中，其SRAM快取（cache）一般都是小到足以嵌入到SoC（單晶系統）處理器裏就夠了。
相對地，在天平另一端的高階「智慧型」（smart）手機方面，幾乎整合了許多可想而知的功能以及個人資訊管理（PIM：personal information management）系統到這些可攜式裝置中。基本上，這些手機產品都具有個人數位助理（PDA）或「智慧型」的能力。大部分也都有大尺寸的LCD液晶螢幕、以及內建的數據機（built-in modem），並且支援網頁瀏覽、收發電子郵件、語音辨識、影音串流、開啟辦公應用軟體（office applications）、電玩遊戲、視訊會議等，甚至是隔空（over-the-air）與個人電腦同步（synching）。由於整合了許多功能，使得智慧型手機對於記憶體配備的要求，往往都要有512Mbit的DRAM以及1Gb的快閃記憶體容量，甚至今後還會往更大的空間邁進。至於時脈頻率，目前已經達到133MHz的水準，預計將在不久之內竄升到166MHz或200MHz的境界。
圖二：典型的智慧型手機之架構。（製圖：柳林緯）
而在中階產品方面，這個具有最佳競爭戰力的區塊，可說是兵家必爭之地。此類型中，以「功能型」（feature）手機為代表。功能型手機整合了一連串的功能，提供遠勝於入門級手機之一切的各項應用，舉凡：網頁瀏覽、進階文字簡訊、電玩遊戲、音樂下載與播放、數位相機等，但少了智慧型手機所具備「類似電腦」（PC-like）的那些功能。在硬體上，幾乎都有兩個以上的處理器，記憶體的設置與速度會依據不同產品的訴求而有所調整，以期達到低成本高性能的設計要求，並讓產品具有多媒體簡訊、照片瀏覽、VGA彩色顯示幕、互動遊戲以及電子商務等應用能力。正基於這些個有所異的功能安排，在記憶體的配置上就會難以捉摸，一般屬於此一類型的產品，都是以128M至512Mb的「行動用RAM」（MobileRAM，行動裝置用隨機存取記憶體，在此簡稱之）（與此相提並論的記憶體為：CellularRAM，行動電話手機用隨機存取記憶體，在此簡稱為「手機用RAM」），並搭配64M至256Mb的NOR快閃記憶體，以及（或者）512Mb的NAND快閃記憶體。
常見的行動電話用記憶體技術
根據專業市場調查機構Gartner（譯註：網址http://www.gartner.com/）的二○○六年二月所公佈之數據指出，智慧型手機將會出現最高的成長率，預計到了二○○九年會占有全球手機出貨量的百分之二十六的比重，而功能型手機仍將是市場之主流，預計會保有百分之六十以上的占有率。
設計人員在面對當前這麼多種記憶體，以及其密度、頻寬、架構、時脈頻率等諸多特性時，必須按照其所需要的應用（與成本），挑選出最適合的記憶體。而在這樣的抉擇過程中，最大的挑戰就是如何能讓所經手的裝置，透過所選定的記憶體，發揮出最佳的性能、功耗表現，以及符合外觀尺寸等系統要求。接下來，就稍微介紹各種常見的記憶體。
SRAM靜態隨機存取記憶體
SRAM，靜態隨機存取記憶體，可說是消費性電子產品中由來已久的長青樹。然而，在整體環境對於記憶體容量、體積尺寸、電池續航等項目的不斷要求下，SRAM已經無法完全滿足次世代行動電話在資料儲存方面的深切需求。所幸在不重視記憶容量的應用產品裏，低功率SRAM還仍有發揮的空間，並做為運作記憶（working memory）與資料儲存之用，特別是透過有效地「複晶封裝」（MCP：multi-chip package，或譯為多晶片封裝），更可讓所需體積空間為之減少。
PSRAM/CellularRAM
PSRAM，全名為pseudo-SRAM，具備SRAM的特性以及NOR快閃相容介面的特點，已經在許多行動電話手機產品中取代了SRAM的地位。此記憶體擁有高頻寬的爆發式讀取與寫入、低動作與待機電力，以及包含了溫度補償自我刷新（TCSR：temperature-compensated self-refresh）、部分陣列自我刷新（PASR：partial-array self-refresh），和深度斷電（DPD：deep power-down）在內的低功耗特性。
CellularRAM，手機用RAM，係由CellularRAM Workgroup（譯註：網址http://www.cellularram.com/）（手機用RAM工作小組）所發展之記憶體技術，其精神在於強化PSRAM，以因應次世代行動電話手機的需求，一方面希望能達成SRAM的低功率消耗，另一方面還可期盼能享有DRAM的高頻寬表現。提供了非同步/分頁（asynchronous/page）模式、爆發（burst）模式，以及爆發類比數位多工器（burst A/D MUX）等模式，其各有不同的性能強化特性，像是可變的延遲性（variable latency）與短位元線結構（short bit line structure），以加快隨機存取的時間（random access times）。其架構中還包含了隱藏的邏輯電路，用以自動管理刷新與預充電的工作，這些原本只屬於DRAM的技術，不需要使用者下指令就能自動完成。
CellularRAM元件完全相容於爆發式NOR快閃記憶體介面，不但簡化了記憶體架構，還提供了更強的性能，使得系統的爆發速度（burst speeds）可以達到104MHz。而且，其接腳相容的優點，讓CellularRAM成為NOR快閃記憶體的最佳搭檔。幾乎所有的CellularRAM均以「複晶封裝」的方式呈現，在單一封裝內，同時具有揮發性與非揮發性記憶體。在高階產品以及智慧型手機領域中，CellularRAM已逐漸被MobileRAM所取代，而先前的PSRAM則仍會在低成本手機中占有一席之地。
MobileRAM
MobileRAM，行動用RAM，是專門針對手機應用而來的記憶體技術，引用了標準DRAM技術為核心，但卻以行動電話的特性而誕生。獨特的低自我刷新電流（self-refresh current）特點，以及其他像是降低電源供應電壓、TCSR、PASR、PDP、和晶片內建溫度感測器（OCTS：on-chip temperature sensor）等功能，可藉此降低以電池為主要電力之可攜式系統的耗電情形。
為了要滿足各種不同的半導體技術需求，MobileRAM已經朝堆疊式解決方案邁進，諸如：MCP、SiP（system-in-package，系統級封裝）、以及PoP（package-on-package，封裝內封裝，或譯為封裝體堆疊、層疊封裝）（譯註：另一種也屬於3D立體封裝的相關技術為PiP，package-in-package，封裝上封裝，或譯為封裝體嵌入）等，記憶體晶片廠商奇夢達（Qimonda）還為此推出了「良品晶粒」（KGD：Known Good Die）計畫，並根據客戶的需要，以裸晶（bare dice）元件的方式出貨。MobileRAM目前已有單資料速率（SDR：single-data-rate）與雙通道速率（DDR：double-data-rate）兩種版本。
參數選擇
介紹了這些不同的低功率記憶體之後，接下來就把話題轉到設計人員在決定該採用哪一種記憶體時，所常關切的各種參數。
密度考量：Density Considerations
一般手機對記憶體密度條件的需求，會受到不同記憶體的成本與記憶容量所影響。在設計手機時，其所需的記憶密度需要事先根據所有必須的應用來決定，但也要考慮到其成本結果是否會高不可攀。因此，應用處理器與系統架構將是決定整個解決方案是否可行的重要關鍵。
系統架構：System Architecture
在特定的設計中，處理器將會決定整個手機的架構以及記憶體的搭配條件，相對地，之所以會選擇哪一款處理器，也會根據該設計之應用需求來抉擇。當今有許多可供選用的基頻（baseband）、多媒體、應用處理器，可以適用於手機產品中。
管線：Pipelining
管線限制了記憶體資料匯流排使用的界限，其透過開放列隊（open row）中計算爆發量或者藉由在其他組庫（bank）中插入存取（interleaving an access），來隱藏所需的爆發存取時間（burst access time overhead）。然而，其效率乃取決於記憶體控制器、記憶體破碎（memory fragmentation），記憶體存取要求的順序，以及應用程式。
爆發式運作：Burst Operation
新世代的手機一般都具有串流影音與網際網路連線的功能，其在基頻處理器與記憶體次系統之間，就得有更快的資料存取。這麼一來，記憶體就要有高速的分頁模式（page-mode）或爆發式存取（burst accesses），來取代傳統非同步元件以執行手機的各種應用。
具有分頁與爆發模式的記憶體，比起在隨機讀寫存取上，在鄰近週期（adjacent）中將有更高性能的表現。雖然在分頁或爆發模式中，初次存取所需的時間長短與傳統的非同步元件相同，但其接下來的存取就能享有更高更快的速率。
在爆發效能上，比起Mobile-RAM，CellularRAM只需耗費較少的時脈週期。然而，由於在高頻率的時脈環境下，有著較長的爆發，兩者之間的性能差異似乎也不相上下。是故，在享有CellularRAM元件所提供之較好的短管線表現以及長爆發表現，其實等同或稍優於MobileRAM的表現，而MobileRAM則是以組庫插入存取（interleaving bank accesses），來打平的管線能力。舉例來看，CellularRAM最先的存取延遲範圍，當以52MHz運作時約為四十五奈秒（45ns），在133MHz為三十奈秒，MobileRAM的組庫插入在分頁命中（page hits）時則只占據了二十二點五奈秒的延遲。
依據產品等級決定
本文所提到的每一個行動電話記憶體解決方案，其實都各有千秋，也適合不同的應用產品。不論是速度、成本、密度、尺寸、或設計難易度等，都是在產品開發過程中需要注意的，而這些都讓研發人員依據其經手之特定設計的需求，得以找出最適合該產品的記憶體元件。
入門級手機
一般而言，入門級的手機需要至少64Mb的低成本記憶體，而且要能簡單好設計，還得不需要用到太多運作電力。此時，PSRAM將是最理想的解決方案，而CellularRAM也蠻適合於較高一點之層級的入門手機。至於所謂超低成本的入門級手機，傳統的低功率SRAM還是具有其優勢。
<>B功能型手機
功能型手機是當今消費市場中最大的一個區塊，而且運用各式各樣之記憶體的機會也是最高的。總括來說，這類產品需要有低成本、較少占板面積（small footprint），而且還要能和其他類型記憶體相容，當然，更不能犧牲在電力消耗、高密度或高速度的表現。在低至中階的功能型手機上，CellularRAM是最佳選擇，其最低的電力需求、以及具有每位元單位成本與占板面積雙料優勢的特性。至於在高階的功能型手機，其容量（密度）與速度在此時都變得更為重要，因此，MobileRAM便成為最裡想的選擇。
智慧型手機
智慧型手機彰顯了行動手持式通訊裝置的特殊地位，也就是同時能擁有好幾種通訊功能，且其對運算能力、使用彈性、記憶體密度、運作速度、資料頻寬等都非常要求。所以，MobileRAM，特別是其雙通道速率（DDR）的版本，會是最適合的人選。
未來展望
在行動電話技術的發展上，當今許多努力都是為了要減少手機電路理得匯流排系統。在聯合電子裝置工程協會（JEDEC：Joint Electronic Device Engineering Council）的42.4與42.6工作小組的帶動下，新一代的解決方案已獲得業界廣泛討論中。在MobileRAM方面，被稱為LP DDR2的新介面標準預料將在近年內定義完成並開始施行。此外，諸多研發投入也讓其他具有潛力的記憶體元件陸續浮出檯面。譬如PCRAM（Phase-Change RAM，相變RAM）記憶體，就可能會在幾年後開始導入到行動電話手機中。話說回來，在可預見的幾年內，各式各樣的矽基DRAM（silicon-based DRAM），仍舊會是行動電話通訊裝置裏記憶解決方案中的主流。
【譯註】
關於文中所提到的主題，本刊先前也曾有相關報導，如：「英飛凌併購LSI行動產品事業」（二○○七年九月號）、「Ramtron推出4Mb非揮發性鐵電記憶體」（二○○七年五月號）、「超低成本手機的基本功：射頻收發器」（二○○六年六月號）、「如何降低行動電話記憶儲存次系統的電力消耗」（二○○五年十一月號）等文。
作者簡介：Christian Roessle，係德國半導體記憶晶片廠商奇夢達（Qimonda AG）公司行動與消費性電子行銷業務事業部門資深主管，該公司網址為http://www.qimonda.com/，本文原篇名為：Finding the Right Solid-State Memory for Next-Generation Phone Designs
譯者簡介：柳林緯，係本刊特約撰述，為資深電子資訊媒體新聞工作者。 |
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