新兴存储技术在住宅网关的应用及选择策略

住宅网关(RG)不仅是家庭中所有语音、视频和数据业务的中心入口和控制点，而且还是未来业务发展的基础。但由于缺乏具有鲁棒性、安全而灵活的存储系统，住宅网关设备发展缓慢。本文深入研究了采用增强型闪存解决方案开发住宅网关产品的技术和成本优势，以及发展趋势。 


住宅网关是在宽带接入网(WAN)和家庭局域网(LAN)之间充当家庭网络核心的一类设备，支持互联电器之间的双向通信和数据传输，并可接入互联网。住宅网关是提供通用高速互联接入的关键设备，可为不同宽带接入方式与多种家庭联网解决方案，如HomePNA、HomeRF、无线LAN或IEEE1394的集成提供平台和汇集点(convergence point)。同样， 住宅网关还是业务提供商通过互联网对本地设备进行远程业务配置的重要手段。 


推动住宅网关发展有诸多因素，包括以下几点：1. 新兴的本地网络技术不断涌现；2. 带有智能电子控制系统的家庭不断增加；3. 网络运营商不断扩展新业务；4. 互联网应用持续增长；5. 国际通用标准的制订；6. 宽带互联应用不断推广；7. 新兴休闲娱乐方式(包括数字电视)涌现。 


典型的网关架构 


由于宽带技术的应用相对行比较新，并在不断发展，因此住宅网关的功能也在不断完善。此外，住宅网关设计必须能满足未来5至10年的发展变化，这意味着必须以模块化、着眼于未来的方式设计相关的软件和硬件。为了更好地理解住宅网关，首先有必须了解其核心器件：住宅网关主要由处理器、存储器、数字调制解调器、家庭联网芯片组和相关软件组成，其中存储器包括易失性存储器(RAM)和非易失存储器(闪存)。 


处理器是住宅网关的核心器件，负责处理几乎所有的任务。处理器决定了适用的操作系统、可运行的软件、功耗及系统稳定程度等特性。此外，处理器还是整个系统成本的主要决定因素，处理器越新、越快、功能越强，住宅网关也就越昂贵，也更适用于未来的应用需要。现有的一些主流处理器实际上是将网络器件和CPU集成在高性价比芯片上的系统级芯片。 


与计算机一样，网关也需要存储器对用户或运营商发出的指令进行存储和操作。存储器可用的有效数据越多，网关运行的速度就越快。网关通常采用RAM和闪存，RAM存储的数据易失，因此一旦电源关闭，RAM将丢失所存储的内容。相反，即使断电闪存也能保障网关的操作系统和专用特性以及用户数据和网络数据等信息。闪存是重要资源的“保护神”，在可能的条件下应当为存储的代码和数据提供可靠而持长久的硬件和软件保护。 


由于网关支持多种调制解调器，因此具有较强的配置灵活性。这些调制解调器可为直播卫星、固定无线宽带、双向电缆网络，以及电力线局域网和ISDN的宽带接入网络提供互联。在住宅网关的本地网络侧，芯片组可为运行在本地网上的特定技术提供接口。除不同类型的宽带和本地网芯片组之外，所有的网关还包含支持设备运行所需软件的计算资源。 


住宅网关上运行的软件能改善家庭信息设备与业务之间的协同工作。软件虽然使用户无须关心系统部件的复杂性，但住宅网关必须具有极其稳定的操作系统，以调节如存储器和处理器利用率等资源的分配，操作系统还必须足够小以降低存储成本。此外，操作系统还必须具有灵活的模块化软件配置，以适应未来不断增长的器件架构需求，并进行远程更新和升级。 


住宅网关的功能 


住宅网关的设计决定于网络运营商提供的服务。传统上，服务提供商仅仅只获得接入上的收费，而住宅网关则有助于运营商提供适用于家庭的传统服务和增值服务。这些服务包括： 


1. 通信：为PC和互联网设备提供网络接入以及实现家庭多个设备互连的服务提供商将受到市场的欢迎。此外，增值电话业务，如基于IP的语音和单线多话路连接服务将得到更多用户的响应。 


2. 安全：基于住宅网关的安全系统可取代现有的安全系统。新兴的先进业务，如系统的远程监控可利用标准的互联网浏览器或移动电话实现，这将有效集成现有的核心业务和安全业务，并为用户提供更广泛的安全措施。 


3. 家庭自动化：将家庭自动化和现有家庭服务捆绑起来，这样可吸引更多以前对家庭自动化不感兴趣的用户来关注住宅网关。 


4． 未知业务：如果设计能真正着眼于未来应用，则必须考虑未来可能的需求，而这些需求目前还不被住宅网关设计工程师和业务提供商所了解。这只能通过真正的模块化架构才能实现，这种设计必须集成灵活的可扩展硬件平台，以及支持为开展新服务而对操作系统和应用程序升级的鲁棒性文件系统。 


住宅网关的类型 


住宅网关是在互联网和家庭内部网之间路由数字内容的面向用户的设备，目前主要有以下几类网关： 


1. 基于计算机的家庭服务器：基于计算机的网关也称为家庭服务器，理论上是最简单易行的一种住宅网关，因为目前已经具备了大量已安装并具处理能力的计算机、数字调制解调器和软件平台，这完全适用于配置家庭联网业务。 


2. 数字视频录像机(DVR)：DVR可安装软件，这有助于用户以数字方式记录并存储电视节目。电视观众利用DVR可以暂停直播电视节目，甚至还能绕开商业广告。目前，DVR已能提供宽带数字网络接口，在不远的将来，DVR有望成为提供各种新业务的网关设备。 


3. 数字机顶盒(STB)：数字STB仍是消费电子产品市场上发展最快的一种数字设备，数字STB为内容提供商、服务提供商、设备生产商和半导体供应商提供了一个大有潜力的市场。STB以前只是一种单纯的接收设备，而现在则能处理传统的计算和DVR功能。对通信公司来说，采用集成DVR的STB很重要，这样可以使其服务和平台区别于其它的竞争对手。 


4. 其它类型：游戏机和多用途测量设备提供了一种富有想象力、有意义的平台，并将发展为具有市场潜力的住宅网关类型。像微软和索尼这些公司都相信高速游戏平台完全可作为未来数字家庭的网关或集线器。 


共享存储器件 


所有期望在家庭网关市场上占有一席之地的数字消费电子产品都具有共同的一点，即需要高可靠性、高性能、低成本和低功耗的存储器。目前，存储器已成为业务增长最快的领域，这不仅体现在存储器的规格和数量不断增大而封装却越来越小，而且存储器的成本和功耗也不断下降。住宅网关的存储器可分为基于闪速半导体的固态存储器和硬盘存储器，这些存储器基于不同的标准，并具有不同的外形和规格。 


众所周知，硬盘的寿命低于消费电子产品的平均寿命。硬盘固有的耐用性受限于内部的可动部件，并受其所处的环境因素影响，硬盘的故障可能严重影响服务提供商的商业利益。据一些机顶盒生产商反映，PVR硬盘驱动的年故障率可达2%至8%，而且目前还没有降低该故障率的有效途径。此外，由于电子设备的成本原因，硬件设计工程师因此转向固态闪存器件以满足下一代住宅网关的存储需求。目前，包括AMD、英特尔、M-Systems、东芝和三星均可提供固态闪存解决方案，典型固态闪存的容量可达1MB至128GB。 


NAND闪存和NOR闪存 


NOR闪存和NAND闪存是目前闪存市场上的主导产品，这两种技术独具特色并面向不同的目标市场。在下一代住宅网关设计中，当采用闪存时，设计工程师应当对每种可选的技术进行仔细权衡，以选择最适合的产品和技术。 


首先，NOR通常只用于代码存储，因此主要应用于简单的数字设备，如低端蜂窝电话或不含任何网关功能的简单电缆调制解调器。相反，NAND通常既能应用于数字设备，如机顶盒、MP3播放器、数码相机、高端蜂窝电话和住宅网关的代码存储，也能应用于数据存储。然而，未经处理的NAND并不能取代NOR，NAND必须与分离的引导ROM和控制器相结合，以克服NAND固有的数据完整性缺陷，或者与特殊软件相结合，管理并纠正数据错误。 


在性能上，NOR最适用于读取数据，但写数据或擦除数据的速率则不如NAND，因此NOR通常不适用于像住宅网关和需要文件处理功能的设备。在上述操作中，NAND的性能通常比NOR高几个数量级。 


通过比较两种技术的物理架构，不难发现为什么对于给定的裸片尺寸，NAND可提供更高的密度和容量，并具有很高的性价比。NAND实现高容量的关键在于NAND的单元尺寸只有NOR的一半。即使将单级单元NAND技术与多级NOR相比，结论也是如此。 


通过采用简单的生产工艺，生产商可以很容量地生产8MB至128MB的NAND产品。因此，越来越多的生产商乐于选择NAND产品以满足业务提供商提出的BOM成本目标。然而，要将NAND应用到可靠性和稳定性要求较高的住宅网关设备中，设计工程师将面临艰巨的挑战。 


控制NAND性能的三种机制 


1. 外部硬件控制器：除NAND自带的硅芯片外，还需要与实际闪存阵列相结合的控制器，从而在固态硅芯片上提供硬盘所能实现的功能。这类NAND管理系统的性能较高，但相应的成本也较高，其整体的耐久性和可靠性并不理想。 


2. 管理软件：NAND闪存管理软件系统的代码非常复杂，且通常运行于住宅网关的主机CPU上。尽管采用管理软件具有低成本的优势，但同时也有严重可靠性问题。由于操作系统或闪存容量的每次变化都需要增加额外的成本，需要设计新的驱动程序和算法，从而限制了该解决方案的推广应用。 


3. 硬件和软件结合：硬件和软件结合的方式，即硬件嵌入在闪存硅裸片上，与可选方案1相比，系统开销略微增加。该类产品是唯一无需分离引导ROM器件即可启动系统的基于NAND的产品，因此该类住宅网关的模块结构极具成本效益。混合结构方法是住宅网关设计工程师最乐意采用的解决方案，该方法具有很高的可靠性和性能，并具有较高的成本优势。尽管其初始成本比原始的NAND闪存解决方案略高，但减少了一般方案中NAND数据和可靠性问题可能额外增加的成本，因此从长远的角度看，混合设计具有较好的成本效益。 


选择合适的存储容量 


设计工程师为住宅网关提供的存储器容量多大才最合适呢？目前市场上已出现许多不同容量的存储器，包括1MB到64MB的闪存，以及上千兆字节的硬盘存储器。在一些需要大量媒体存储的应用中，必须采用硬盘存储器，同时用闪存作为软件代码存储。目前市场上出现采用1MB、2MB或4MB闪存的设计，这种似乎为占领市场的1-4MB存储器的设计难以带来任何市场增值，仅仅略微降低了一点产品市场价格。 


真正的住宅网关必须具备使ISP能为用户提供众多业务选择的能力：一些业务是目前已有的，而有些业务则尚未可知。要提供充足的空间，当前设计的最小闪存容量应为8MB至16MB，预计到2003年则将达到32MB至64MB。而实际上，采用单级单元技术或多级单元技术的16MB至32MB NAND闪存的成本与4MB至8MB的NOR闪存相当。