本文介绍了3G网络及其对多媒体手机所带来的机遇，讨论了将这种机遇转化为成功的多媒体实施方案的关键要素——手机架构及记忆体系统。文章还介绍了目前比较流行的flash记忆体和微硬盘，比较了这些技术的特性，以及他们对目前比较流行的记忆体敏感型多媒体内容的支持能力。

一、3G网络和多媒体的演变

1、移动通信产业的动力

    3G时代已经到来。3G是目前谈论最多的话题，可以为用户带来潜在利益。按照iSupply的统计，到2004年6月，全球已经有42个3G网络投入运营。全球范围内，每一天都会有一个国家公布与3G有关的成果与进步。IDG和Gartner预测，到2007年全球25%的手机产品将会变成3G手机。

    3G网络能够提供的带宽高达384Mb/s，其传输速度与某些ADSL连接一样快。然而，该带宽没有考虑一些主要的瓶颈，以及用以处理多媒体内容所必须的大量数据。到目前为止，该瓶颈依然阻碍着很多应用和服务的产品化。

    运营商和已经在3G业务中进行了大量投资的业者，现在正在努力利用3G技术以产生新的收益。同时，手机制造商也站在了前进的交叉路口。在2004年和2005年，照相手机的不断演变已经成了手机急剧增长的一个主要催化剂。在日本，照相手机的市场渗透率已经接近100%。虽然2004年全球范围内的照相手机平均渗透率远远滞后，仅仅为30%，但是分析家预测这个数字在2007年将上升为60%。

    研究发现，2005年由于另外一个“杀手(killer)”级功能将会取代目前手机中的照相功能，从而使手机市场的更新换代加快。为了克服这种下降趋势，制造商正在向手机中添加越来越多的多媒体功能，使它们变成便携式娱乐设备。事实上，一些手机已经能够提供宽范围的多媒体服务，可以播放MP3、录制视频和在屏选择电视节目、运行3D游戏，以及拍摄高清晰度静止图像。

    随着3G的升温和发展，手机制造商正在发布更多选择的新型多媒体设备，以提升人们更换手机方面的销售，这有助于运营商提供带宽消耗型内容，提高运营商的收益。

    这个双赢趋势的一个明显标志是内容提供者、手机制造商、网络运营商之间形成的联盟。最近的例子有Motorola-MTV和Motorola-iTunes协议，以及Sony Ericsson-Turner广播协议、Samsung-Virgin协议等。

2、推动手机架构转变的动力

    为了适应这个趋势，手机架构正在酝酿着重新定义，但是对应一般消费者来说，这种重大变革是无法用自己的眼睛观察到的。例如，一些比较先进的smartphone在高达600MHz的时钟频率下运行，其处理能力可与3年前的膝上型电脑相当。简单照相手机正在从运行于40MHz的低端ARM7器件向运行于100MHz以上频率的ARM9器件推进。

    第三个替代方案是使用“以前”的ARM7处理器管理通信及手机操作系统(OS)，通过强大的专用多媒体处理器处理多媒体内容。作为一种过渡方案，该方法受到了很多手机制造商的喜爱，允许他们使用相同的主处理器，从而降低成本，缩短开发周期，更加有效地管理库存。然而，多媒体对手机的最大冲击体现在手机本身需要附带的记忆体的数量上，特别是用以运行和存储代码，以及存储数据的非易失记忆体(NVM)。

   在PC市场，平均存储需求已经从1996年的1GB增长到近几年的100GB，增长幅度高达100倍。如此高速的增长与家用PC直接有关，因为家用PC以前主要用作个人工作站，目前正在变成一个用以存储所有音乐和视频之类的家用数据库的多媒体工作站。

   3年前，手机的存储容量仅仅只有4MB，今天已经发展到64MB以上。最近，Samsung Electronics刚刚宣布了SPH-V5400手机，它是世界上第一款带有1.5GBytes机械硬盘的手机。而另一款4GBytes机械硬盘手机将在不久面市。

    大容量仅仅是多媒体用记忆体的一个特点。在体积较小的电池驱动型手机上运行多媒体应用，还为记忆体在性能、功耗和尺寸等方面提出了新的挑战。

二、多媒体对记忆体的需求

1、容量和性能

    根据多媒体应用的不同，手机对记忆体在数量和性能方面的要求大不相同。记忆体占用最严重的应用有音乐/影片剪辑下载和视频录制。将许多高清晰度照片保存在一个相片簿同样需要相当多的记忆体。

    典型情况下，能够有效地运行/播放/存储这些应用所需要记忆体的容量和性能如表1所示。从表1可以看出，音乐虽然占用较多的记忆体，但要求的读、写速度却非常低。在无线网络中，MP3的典型数据率可能不超过128KB/sec，这样一来要求的读性能只有16KB/sec。

    表1: MP3音乐对记忆体的需求

      如表2所示，静止图像要求非常高的写性能。例如，一个2MPixel照片生成一个6MB的位图图像。经过JPEG压缩，其大小可以减少到450KB。NOR flash记忆体不符合该要求，常常采用SDRAM缓存来应对。基于MLC NAND的大模组DiskOnChip G3能够提供1MB/sec以上的写性能，远远超出了手机静止图像性能的要求。

    表2: 静止图像对记忆体的要求

    如表3所示，视频录制需要大量的存储容量，但是不需要很高的写性能。但是，在使用flash记忆体的时候，由于需要对素材进行分选(或空间整理)，flash性能变得非常关键。该操作很长，需要擦除flash记忆体里多个模组的内容，并重新写入数据。如果这个操作发生在视频录制过程，一些图像帧可能会丢失，画面看起来好像“已经损坏”或“跳跃”。

    要克服这种故障，需要一个先进的软件算法，以便在视频录制过程中，能够以实时方式中断任何空间整理操作。到目前为止，只有TrueFFS能够提供这种多媒体觉察功能，识别所需要的多媒体内容。当发现一个正在进行的视频录制操作时，TrueFFS命令媒体管理层延迟所有空间整理操作，直到录制完成为止。

    表3: 视频录制对记忆体的要求

2、究竟需要多少记忆体?

    基於上述数据，我们得出了多媒体手机对记忆体的平均需求和总用量，具体如表4所示。

    表4: 多媒体手机对记忆体的典型需求

    由此可见，根据记忆体的类型和使用的不同，总的来说多媒体手机对记忆体的需求总量为250MB-700MB。

    当人们期待3G时代来临，以便提供更多满足多媒体应用的带宽的时候，记忆体制造商已经推出了多种多样的flash和机械硬盘技术来满足记忆体的发展趋势，并以各种各样的板上(on-board)或移动记忆体(removable memory)形式产品出现在市场上。需要改进型NVM和高性能记忆体的手机设计师，则必须从这些选择中进行分选。

    基于NOR和NAND的flash是市场上的两大主流产品，各自均有企业巨头支持，如Intel和Samsung。最近，一些硬盘厂商也已经开始将目标投向音乐手机市场，试图以此完全取代flash技术。

三、记忆体技术比较

1、Flash媒体

(1)选择NOR、NAND，或者两者兼用?

    NOR是一种比较早的记忆技术，相较NAND技术可靠性要高，并且工程师更熟悉。基于NAND的记忆体体积较小，因此性能价格比高。

    虽然NOR是目前处于主导地位的技术，NAND却很快在手机市场获得了应用，这里所要求的是大容量、高性能的存储。

(2)下一代主流产品：MLC NAND

    在2003年，Toshiba最早推出了多级信元NAND (MLC NAND)技术。该技术能够在一个单记忆体信元内储存2 bits数据，使成本几乎降低了一半。然而，MLC NAND却遭遇了目前不断提高的可靠性与性能的挑战。虽然标准NAND器件已经开始赢得了某些硬件和软件(如芯片组和操作系统)的支持，但是直到现在，MLC NAND依然没有完全得到任何硬件和软件的支持。M-Systems公司2003年推出的DiskOnChip G3则成功地解决了这些问题，是第一个面向手机应用的MLC NAND记忆体。

    很多NAND供应商发布的线路图显示，他们都将在很短的时期内制造MLC NAND，似乎MLC NAND将在最近几年内成为一种主流存储技术。最近，甚至Samsung也宣布将会在2005年底推出MLC NAND器件。

2、硬盘驱动器

随着对大存储容量需求的不断增长，以前曾经为PC市场立下汗马功劳的HDD，开始以微型HDD(micro HDD，或者microdrive)的形式应用在手机领域。

    HDD能够提供远远高于flash的数据读、写能力，特别是在数据写入方面的表现更加出色。但是，无论NOR，还是MLC NAND，其性能已经超过了任何多媒体应用的需求。

    虽然硬盘适合该应用，但是也带来了一系列的问题：

·手机制造商能够克服种种困难，将外形如此庞大的HDD整合到手机中吗？这里的空间是相当有限的。

·硬盘电池是否友好?

·硬盘是否足够坚固，以防御外部环境的极端变化?

·在容量方面，HDD拥有成本结构方面的优势，但是手机需要这些性能吗？

(1)大小

    硬盘外形很大，即使是最小的微硬盘，其体积也远比flash记忆体大。如图1所示，1GByte的DiskOnChip H1的外形为12x18x1.4mm，而目前为止最小硬盘的尺寸为24x32x3.3mm。0.85"微硬盘的体积是DiskOnChip H1记忆体的8倍，1"微硬盘的体积则是DiskOnChip H1记忆体的25倍。虽然体积差距如此之大，还没有包括用以连接硬盘的插座所占用的空间……

    除了体积方面的局限性外，HDD方案还额外需要一个NOR芯片来存储OS码，因此还需要再占用一些额外的空间，也相应地增加了成本。

    最后，硬盘无法通过堆叠在MCP(Multi-Chip Package，多芯片封装)上的方法来节省空间，而flash记忆体可以。举例来说，DiskOnChip H1能与其它记忆体器件(例如SDRAM)一道，堆叠在同一封装内，这样一来，单一芯片就可以提供一个完整的存储系统，不需要占用任何额外空间。图1是目前比较流行的微硬盘与DiskOnChip的尺寸对比。

(2)能耗

    在激励状态，HDD的平均能耗为1000mW，这是flash记忆体能耗的50倍，如1GByte DiskOnChip H1的能耗只有20-50mW，这对手机设计来说至关重要，其中最为显著的影响表现在电池寿命上。

    对于iPOD之类的设备来说，如此水平的能耗是可以接受的，但对于手机来说是绝对不可接受的。手机能够用于个人通讯、数据存储以及娱乐(如MP3文件等)，由于支持多媒体应用，绝对不能因为电能的耗尽而不起作用。

(3)可靠性

    由于硬盘是由移动部件组成的，因此不能承受较重的冲击，不能像一般手机一样拿放。即使通过证实，认定该硬盘可以应用于像iPOD之类的装置，也不能像典型手机那样承受更多更剧烈的机械操作。除此之外， 在极端温度下硬盘会停止运行，而flash在-40°C - +85°C的温度范围内也能够正常工作。

(4)成本结构

    硬盘单位容量的成本很低。然而，它们只适合非常高容量的应用(目前微硬盘的最小容量为1GB)，而flash的breakeven点大约为1.5GB，恰好是未来以音乐为中心手机所需存储容量的中心。预期该breakeven点在2006年将前进为2-2.5GB。

四、满足多媒体装置需求的记忆体技术

1、Smartphones

    在许多因素的作用下，目前smartphones方面已经形成了一个支持NAND的技术环境。

(1)大容量内容

    Smartphones的目标客户是商业用户，主要着眼于提高他们离开办公室后的工作效率。这些设备通常是手机、PDA的组合，具有很多附加功能。Smartphones的特点是大屏幕(大多数为触摸屏显示)，诸如Windows Mobile、Symbian、PalmOS、Linux的不可缩放操作系统，PIM(如Pocket Outlook)应用程序，以及其它办公室类软件。此外，Smartphones还具有游戏、高清晰度静止图像拍摄、视频捕捉，以及用于存储和播放所选MP3歌曲的足够记忆体。

    今天，一般smartphone均带有从32MB-256MB(还在不断增加中)的板上记忆体。在该容量范围内，相对NAND，NOR的成本太高。然而，第一个带有NAND记忆体的smartphones却把NAND当作磁盘类方案的补充品，而不是取代板上NOR flash。由于原始NAND没有现场执行(eXecute In Place, XIP)功能，例如，NAND无法直接运行应用程序。为了解决这个问题，应用程序的保存和执行均在本机NOR flash上进行，用户数据保存在NAND媒体上。

    DiskOnChip是首例此类器件，既可以存储大容量的数据，也可以运行源代码。

(2)能够解决遮蔽(shadowing)问题的分页(paging)方案

    DiskOnChip器件含有一个小型XIP启动模组。该模组包括一小段用以对系统RAM进行初始化，并将来自NAND flash的OS图像(OS image)拷贝到系统SDRAM的代码。该方法的主要缺点是需要额外SDRAM来存储操作系统图像，最终降低了向NAND技术转换的主要功效(如成本，以及外形尺寸、写性能等)。

    通过向OS系统添加分页(paging)功能，移动操作系统厂商成功地解决了上述问题。这样，只对OS内核进行拷贝，而不是遮蔽整个OS图像，而应用程序则根据具体情况从RAM调进或调出。例如，微软(Microsoft)将该方法称作随选页面(paging on demand)。

    随选页面极大地减少了基于NAND的器件所需的SDRAM数量，也就是减少为原来的一半(即从64MB SDRAM减少为32MB)，使单位成本所产生的效益最大化。今天，很多最新的smartphone项目已经抛弃了以前的NOR类架构，转而采用NAND技术作为板上NVM方案。

    目前，全球六大主要手机厂商均在其新款smartphones中采用NAND和DiskOnChip技术，而没有通过辅助NOR flash进行代码遮蔽。

2、特征手机

    特征手机是手机市场的主要组成部分，它们在标准手机的基础上增加了一些辅助功能，以提供娱乐服务。

    2004年特征手机的杀手级应用是照相功能，该年度具有拍照功能的手机的销售量达1.7亿部。照相手机不仅能够拍摄照片和录制视频片段，而且能够将其像MMS短讯一样发送给其它用户(如果是不兼容网络标准，则不完全支持该扩展功能)。

    要支持该增强型特征功能，必须对特征手机的架构进行一些更改。今天处于主导地位的特征手机架构有两种。如图2左所示，相较以语音为主(voicecentric)的基础型手机设计，增强型legacy架构只进行了少许改进。增强型架构采用辅助flash媒体进行存储，其基带部分通过ARM7-ARM9处理器进行增强。该架构能够支持基本的照相功能和简单的Java游戏，但是不支持先进的录像功能和3D游戏节目。

    目前，在以多媒体为中心的手机架构中已经出现了一些专门的多媒体协处理器。其中，基带部分继续使用一般功能的ARM处理器(一般为ARM7)，提供所有传统的手机功能和OS执行；相反，协处理器却基于ARM9和更高版本，并含有定位于多媒体的辅助性状态管理器件。该协处理器能够处理所有的多媒体数据和图形密集型应用，并且可以根据基带处理器的需要随时调用。该架构同样包括两个子系统，主要功能：

    (1)基带部分：主要作用是储存和执行操作系统、通讯栈和应用程序

    (2)多媒体协处理器：储存代码以及由文件系统管理的所有文件(主要是多媒体内容，但是并不局限于多媒体内容)。

    一些协处理器能够读出与基带连接的NOR中的代码，或者具有XIP功能的DiskOnChip中的代码，这样系统就不再需要NOR器件。

    虽然这两种架构都需要flash媒体来存储照片、视频片段和用户下载的游戏，但是根据特征手机功能的不同，两者对记忆体容量的要求也有所不同。

(1)中、低档特征手机

    这些器件能够提供基本的低分辨率(VGA或更低)的照相功能。一个低分辨率的静止照片只占用40KB或更少的记忆体。NOR就可以满足该要求。很多特征手机都带有32MB NOR，由于NOR具有上限局限性，很多相机为基于NAND的移动存储卡(大多数为SD或MMC形式)预留了一个辅助插口。对於这些中、低档设备，NAND为它们提供了一个留有裕量的成本改进方法，减小了厂商在记忆体架构不可预期等方面的风险。

    由于需要支持更高清晰度照片，手机须自带基于NAND媒体的发展趋势是相当明显的。在第一个阶段，由于这类手机使用的实时操作系统(RTOS)不支持分页软件(paging software)，NAND只作为“磁盘类”存储方案使用，从而使PSRAM尺寸增大，降低了NAND/MLC NAND在成本方面的优势。

然而，为了进一步提高用户的可用存储容量的同时，降低BOM成本，一些领先公司，如M-system已经开始与特征手机操作系统厂商，如ATI(Nucleus)、TTPCom(基于ADI的手机)、Skyworks等进行合作，以提供OS分页(paging)功能。一旦准备就绪，该功能可望极大地加速可引导型NAND在手机中的渗透率，并作为唯一的NVM板上媒体，同时用作代码和存储媒体用途。

(2)中、高档特征手机

    中、高档特征手机具有VGA或更高清晰度(2004年该类照相手机的主流特性为1.3MegaPixels)的照相功能，能够进行视频录制、一些图像处理以及先进的游戏功能，如摩托罗拉e680就带有一系列包括3D NBA节目在内的激动人心的游戏。

    这些手机采用了如图2所示的多媒体协处理器架构，或者进行了较大改进的基带处理器(ARM 11)，如TI OMAP 730就相当稳健，可以处理多媒体信息。该架构与smartphone的架构非常相似。

    这些手机中，NOR媒体并非可行方案，因为大量的事实表明，NAND flash在这类手机中的渗透率相当高。NAND技术在这类手机中的基本功能相当于一个磁盘，类似PC中的HDD。然而，很多手机厂商已经开始使用DiskOnChip之类的可引导NAND器件，这样就没有必要使用辅助NOR媒体多媒体处理器代码。

3、手机音乐吧(Cellular Music Decks)

    由于手机行业目前正处于鼎盛时期，无论手机厂商，还是网络运营商都正在积极寻求最新的方法，刺激手机的销售和网络使用(特别是3G网络)。

    美国策略分析机构2004年9月发布的统计数据表明，音乐将成为手机市场的下一个杀手级应用，另外还有浏览电视广告和报纸信息等。

    如上所述，只要求16KB/sec传输的音乐对手机来说并非难事。事实上，该性能很容易通过如今的NAND媒体实现。一个平均4分钟长度的歌曲，以128bps近乎CD般质量进行取样时占用不到4MB(16KB x 4min x 60sec)的空间。一个以音乐为中心的手机将可以播放最少20首歌曲，占用仅仅80MB空间。

手机音乐吧(Cellular Music Decks)一般内部自带了一定量的音乐，设计用于音乐下载、播放和浏览。其附件也是一些围绕音乐的东西，如高质量喇叭，以及用于高质量功率放大器和汽车音响系统的接口台。

    虽然该部分市场预期不会很大，但是2005年的销售可望接近1200万台，2007年达到30万台。同smartphone预期需要的128MB-256MB容量相比，手机音乐吧(Cellular Music Decks)应具有512MB-4GB的容量，与迷你iPODs相近。

    手机音乐吧(Cellular Music Decks)重新点燃了flash和HDD硬盘之间的竞争。Apple公司基于HDD的iPOD的成功，以及Samsung推出的世界首例带有HDD 的手机重新恢复了人们对HDD的兴趣，使手机厂商开始重新评估将微硬盘应用到手机中的可行性。

五、小结

    3G正在为多媒体应用孕育着一条适合从低端到高端手机用户的生存之路，为整个价值链带来巨大的商机。大容量、高性能记忆体是一个能够激活手机多媒体应用的关键因素。

    在定位于多媒体的手机市场，Flash记忆体由于具有体积小和低功耗等特点，已经成为该领域的一个主要竞争者。但是，并非所有Flash记忆体都这样。NOR flash的体积比NAND flash大，因此在容量大于32MB的应用中其性价比不高，并且其写性能也较低。即使在NAND flash阵营，也存在一些重大差异，并可能影响到晶片尺寸和成本结构。由于特殊的成本结构，MLC NAND已经成为多媒体手机自带记忆体方面的最佳选择。

    随着人们对容量需求的不断增加，HDD在手机多媒体应用中重新找到了用武之地。在非常大容量的应用中，微硬盘具有快速、高性价比的优势。但是，其高能耗和较大的尺寸很难适合外形小巧、低能耗的手机设计应用。

    M-Systems公司的DiskOnChip基于高性价比的MLC NAND技术，采用TrueFFS flash管理，具有大容量、高性能、高可靠性等特点，能够向用户提供XIP增值功能，可以作为引导器件替代NOR记忆体，是多媒体手机的理想选择。

作者：Arie Tal和Rochelle Singer，M-Systems公司客户支持部工程师。翻译：张英儒，资深编辑。进一步资料，请联系：

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