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多媒體應用推波助瀾　手機儲存技術與時俱進

2009-08-18

何祥正/陳致翔

在多媒體應用普及於一般手機之後，手機儲存技術也隨之突飛猛進。尤其在製程與耗電技術陸續突破瓶頸後，儲存裝置之容量更是愈見龐大。但由於PSRAM與Mobile RAM各有特性，因而如何精準搭配，同時將手機效能發揮至最大，就成為關鍵所在。

回顧手機發展，20年前摩托羅拉(Motorolla)的大哥大，好比是一個可以說話的黑磚頭；而今天的手機不但輕薄短小，重量更大幅減輕至100公克左右。此外，過去的手機只能通話，且沒有任何多媒體播放功能，今日的手機不但有三百萬以上畫素的照相機功能，也多能支援MP3或是MP4等音訊播放功能。

僅僅從這樣的演變就可以看出，現今的智慧型手機不但力求多變，就連多媒體功能的蓬勃發展，也成為刺激終端產品發燒的關鍵。

受限於技術，早期的手機大多採取快閃記憶體(Flash)與靜態隨機存取記憶體(SRAM)分離，且最多只有8MB+1MB的容量。今日由於已可將手機記憶體堆疊封裝成一顆多晶片封裝(MCP)，因此不但演進腳步極為快速，從半年前具有128MB+32MB的容量已極為驚人，今日就已經將256MB的儲存空間加上64MB的計算能力視為平常。

一般的低階手機僅提供語音的功能，所以記憶體只須搭配1M～2MB之虛擬靜態隨機存取記憶體(Pseudo SRAM)加上8MB之編碼型快閃記憶體(NOR Flash)即可。但若欲提供多媒體的儲存，記憶體的搭配則需16M～32MB Pseudo SRAM＋64M～128MB NOR Flash。而音樂手機、智慧手機，對記憶體的需求更高，除了32M～64M Pseudo SRAM/手機記憶體(CellularRAM)及128M～256MB NOR Flash之外，還會再加入行動記憶體(Mobile RAM)及儲存型快閃記憶體(NAND Flash)等(圖1)。

資料來源：水清木華研究中心
圖1　智慧型手機之儲存裝置演進

兼具成本/密度/容量優勢　提升手機競爭力

就手機的具體發展情況，多半需要同時擁有成本、密度、容量等優勢才能保證競爭力。而就成本而言，由於70奈米製程的平均成本更低，因此自然成為業者追求的目標。其次，由於晶粒(Die)的面積縮小，如以前在手機主體上需要五顆重要的IC，今日則須精簡至三顆。也因如此，晶片業者對高度封裝的要求也更多。

隨著手機的功能越來越強大，容量越來越大是必然的趨勢。但在容量大增、速度卻不變的情況下，傳輸速率的時間勢必拉長。唯一能克服此問題的方法，就是加快速度，所以速度快也是一個相當重要的課題。

基本型手機之MCP製程大概是0.18微米或0.25微米，容量可達16MB+2MB到32MB+8MB，隨著步入0.1微米製程，容量也邁入32MB+16MB、64MB+32MB，速度上亦有更新。而高階手機現在使用的是65奈米，容量多為128MB+32MB或128 MB+64MB、甚至是256MB+64MB，它的時脈更達104MHz以上，其耗電量也是須考慮的。

PSRAM/Mobile RAM各擅勝場

目前手機記憶體有兩項主要產品，一為PSRAM、二為Mobile RAM。PSRAM具有一個相容SRAM及突發NOR快閃記憶體的介面，亦具有突發讀/寫頻寬高以及工作和待機功耗低的特點，單顆容量亦達2M～64MB；而高密度NOR Flash+PSRAM MCP達32MB+16MB、64MB+16MB、64MB+32MB、128MB+32MB、128MB+64MB，甚至達到256MB+64MB。低密度NOR Flash+PSRAM MCP則是16MB+4MB、16MB+8MB、32MB+4MB、32MB+8MB的規格。

至於Mobile RAM，則利用了個人電腦(PC)的動態記憶體(DRAM)技術，但增加了適合手機的特性。這些元件在製造和封裝的過程不容易出現故障，使之成為基於晶片的應用、MCP、層疊封裝(PoP)及其他堆疊方案的理想選擇。Mobile SDRAM包括單速率(SDR)和雙速率(DDR)兩種版本。

另外，Mobile RAM尚有四項定義需要去理解，並藉此降低以電池為主要電力之可攜式系統的耗電情形：

‧	晶片溫度感受器(On-chip Temperature Sensor, OCTS)
	透過掌握溫度得以強化電力節約。

‧	溫度輔助式自動充電
	例如當速率高的時候，可運用溫度補償式重新充電(TCSR)自行充電。在一個DRAM中，所需的更新時間和溫度有很大的相關性。實驗顯示，溫度每降低10K～15K(絕對溫度)時，資料保存(Retention)時間就會增加一倍。

‧	局部陳列充電
	在某些運行模式下，不見得每一個區塊都使用到，對於未使用到的區塊，系統不做充電，只刷新真正需要運行的部分。通過模式暫存器界定須刷新的部分，如此一來便能大大降低整體的系統耗電量。相對來說，如果每個區域塊都要充電，而只做四分之一區塊，省電效能便能提高了四分之三。

‧	深度休眠裝置
	當手機在待機狀態的時候，手機不進行任何預算處理，基本上把所有電完全關掉就不耗電。但在未使用下不斷充電仍會產生耗電性，因此對於手機業主來講，這些問題實際上都是針對低耗電出發的。

另外，CellularRAM是一種增強的PSRAM，由CellularRAM合作聯盟開發。此種PSRAM把SRAM的最小功耗與DRAM的高頻寬相結合，為非同步/頁面、突發和突發A/D MUX模式提供了增強性能的特性，如可變反應時間。CellularRAM元件完全相容低功耗快閃記憶體介面，簡化了記憶體架構，並把突發速度性能提高到最大133MHz。CellularRAM記憶體具有短位元線結構，加速了隨機存取時間，非同步/頁面版本的記憶體目標存取時間最低為70奈秒(ns)。目前已有國內業者獲准加入CellularRAM Workgroup，符合CellularRAM規範的PSRAM也已正式量產。

而前文提及的A/D MUX，原文稱為A/D Multiplexed，乃為IC裡位置線和位址線共用同樣的匯融，如此可以大大的降低IC所須拉出來的腳位。若配有A/D MUX規格，則可省掉十六根腳，不但體積縮小，成本也可以減少。不過，A/D MUX屬於一個新規格，因此還在推廣中。圖2為採用A/D MUX的MCP方塊圖。