新興存儲技術在住宅網關的應用及選擇策略
加入技術交流群
住宅網關是在寬帶接入網(WAN)和家庭局域網(LAN)之間充當家庭網絡核心的一類設備，支持互聯電器之間的雙向通信和數據傳輸，并可接入互聯網。住宅網關是提供通用高速互聯接入的關鍵設備，可為不同寬帶接入方式與多種家庭聯網解決方案，如HomePNA、HomeRF、無線LAN或IEEE1394的集成提供平臺和匯集點(convergencepoint)。同樣，住宅網關還是業務提供商通過互聯網對本地設備進行遠程業務配置的重要手段。
推動住宅網關發展有諸多因素，包括以下幾點：1.新興的本地網絡技術不斷涌現；2.帶有智能電子控制系統的家庭不斷增加；3.網絡運營商不斷擴展新業務；4.互聯網應用持續增長；5.國際通用標準的制訂；6.寬帶互聯應用不斷推廣；7.新興休閑娛樂方式(包括數字電視)涌現。
典型的網關架構
由于寬帶技術的應用相對行比較新，并在不斷發展，因此住宅網關的功能也在不斷完善。此外，住宅網關設計必須能滿足未來5至10年的發展變化，這意味著必須以模塊化、著眼于未來的方式設計相關的軟件和硬件。為了更好地理解住宅網關，首先有必須了解其核心器件：住宅網關主要由處理器、存儲器、數字調制解調器、家庭聯網芯片組和相關軟件組成，其中存儲器包括易失性存儲器(RAM)和非易失存儲器(閃存)。
處理器是住宅網關的核心器件，負責處理幾乎所有的任務。處理器決定了適用的操作系統、可運行的軟件、功耗及系統穩定程度等特性。此外，處理器還是整個系統成本的主要決定因素，處理器越新、越快、功能越強，住宅網關也就越昂貴，也更適用于未來的應用需要。現有的一些主流處理器實際上是將網絡器件和CPU集成在高性價比芯片上的系統級芯片。
與計算機一樣，網關也需要存儲器對用戶或運營商發出的指令進行存儲和操作。存儲器可用的有效數據越多，網關運行的速度就越快。網關通常采用RAM和閃存，RAM存儲的數據易失，因此一旦電源關閉，RAM將丟失所存儲的內容。相反，即使斷電閃存也能保障網關的操作系統和專用特性以及用戶數據和網絡數據等信息。閃存是重要資源的“保護神”，在可能的條件下應當為存儲的代碼和數據提供可靠而持長久的硬件和軟件保護。
由于網關支持多種調制解調器，因此具有較強的配置靈活性。這些調制解調器可為直播衛星、固定無線寬帶、雙向電纜網絡，以及電力線局域網和ISDN的寬帶接入網絡提供互聯。在住宅網關的本地網絡側，芯片組可為運行在本地網上的特定技術提供接口。除不同類型的寬帶和本地網芯片組之外，所有的網關還包含支持設備運行所需軟件的計算資源。
住宅網關上運行的軟件能改善家庭信息設備與業務之間的協同工作。軟件雖然使用戶無須關心系統部件的復雜性，但住宅網關必須具有極其穩定的操作系統，以調節如存儲器和處理器利用率等資源的分配，操作系統還必須足夠小以降低存儲成本。此外，操作系統還必須具有靈活的模塊化軟件配置，以適應未來不斷增長的器件架構需求，并進行遠程更新和升級。
住宅網關的功能
住宅網關的設計決定于網絡運營商提供的服務。傳統上，服務提供商僅僅只獲得接入上的收費，而住宅網關則有助于運營商提供適用于家庭的傳統服務和增值服務。這些服務包括：
1.通信：為PC和互聯網設備提供網絡接入以及實現家庭多個設備互連的服務提供商將受到市場的歡迎。此外，增值電話業務，如基于IP的語音和單線多話路連接服務將得到更多用戶的響應。
2.安全：基于住宅網關的安全系統可取代現有的安全系統。新興的先進業務，如系統的遠程監控可利用標準的互聯網瀏覽器或移動電話實現，這將有效集成現有的核心業務和安全業務，并為用戶提供更廣泛的安全措施。
3.家庭自動化：將家庭自動化和現有家庭服務捆綁起來，這樣可吸引更多以前對家庭自動化不感興趣的用戶來關注住宅網關。
4．未知業務：如果設計能真正著眼于未來應用，則必須考慮未來可能的需求，而這些需求目前還不被住宅網關設計工程師和業務提供商所了解。這只能通過真正的模塊化架構才能實現，這種設計必須集成靈活的可擴展硬件平臺，以及支持為開展新服務而對操作系統和應用程序升級的魯棒性文件系統。
住宅網關的類型
住宅網關是在互聯網和家庭內部網之間路由數字內容的面向用戶的設備，目前主要有以下幾類網關：
1.基于計算機的家庭服務器：基于計算機的網關也稱為家庭服務器，理論上是最簡單易行的一種住宅網關，因為目前已經具備了大量已安裝并具處理能力的計算機、數字調制解調器和軟件平臺，這完全適用于配置家庭聯網業務。
2.數字視頻錄像機(DVR)：DVR可安裝軟件，這有助于用戶以數字方式記錄并存儲電視節目。電視觀眾利用DVR可以暫停直播電視節目，甚至還能繞開商業廣告。目前，DVR已能提供寬帶數字網絡接口，在不遠的將來，DVR有望成為提供各種新業務的網關設備。
3.數字機頂盒(STB)：數字STB仍是消費電子產品市場上發展最快的一種數字設備，數字STB為內容提供商、服務提供商、設備生產商和半導體供應商提供了一個大有潛力的市場。STB以前只是一種單純的接收設備，而現在則能處理傳統的計算和DVR功能。對通信公司來說，采用集成DVR的STB很重要，這樣可以使其服務和平臺區別于其它的競爭對手。
4.其它類型：游戲機和多用途測量設備提供了一種富有想象力、有意義的平臺，并將發展為具有市場潛力的住宅網關類型。像微軟和索尼這些公司都相信高速游戲平臺完全可作為未來數字家庭的網關或集線器。
共享存儲器件
所有期望在家庭網關市場上占有一席之地的數字消費電子產品都具有共同的一點，即需要高可靠性、高性能、低成本和低功耗的存儲器。目前，存儲器已成為業務增長最快的領域，這不僅體現在存儲器的規格和數量不斷增大而封裝卻越來越小，而且存儲器的成本和功耗也不斷下降。住宅網關的存儲器可分為基于閃速半導體的固態存儲器和硬盤存儲器，這些存儲器基于不同的標準，并具有不同的外形和規格。
眾所周知，硬盤的壽命低于消費電子產品的平均壽命。硬盤固有的耐用性受限于內部的可動部件，并受其所處的環境因素影響，硬盤的故障可能嚴重影響服務提供商的商業利益。據一些機頂盒生產商反映，PVR硬盤驅動的年故障率可達2%至8%，而且目前還沒有降低該故障率的有效途徑。此外，由于電子設備的成本原因，硬件設計工程師因此轉向固態閃存器件以滿足下一代住宅網關的存儲需求。目前，包括AMD、英特爾、M-Systems、東芝和三星均可提供固態閃存解決方案，典型固態閃存的容量可達1MB至128GB。
NAND閃存和NOR閃存
NOR閃存和NAND閃存是目前閃存市場上的主導產品，這兩種技術獨具特色并面向不同的目標市場。在下一代住宅網關設計中，當采用閃存時，設計工程師應當對每種可選的技術進行仔細權衡，以選擇最適合的產品和技術。
首先，NOR通常只用于代碼存儲，因此主要應用于簡單的數字設備，如低端蜂窩電話或不含任何網關功能的簡單電纜調制解調器。相反，NAND通常既能應用于數字設備，如機頂盒、MP3播放器、數碼相機、高端蜂窩電話和住宅網關的代碼存儲，也能應用于數據存儲。然而，未經處理的NAND并不能取代NOR，NAND必須與分離的引導ROM和控制器相結合，以克服NAND固有的數據完整性缺陷，或者與特殊軟件相結合，管理并糾正數據錯誤。
在性能上，NOR最適用于讀取數據，但寫數據或擦除數據的速率則不如NAND，因此NOR通常不適用于像住宅網關和需要文件處理功能的設備。在上述操作中，NAND的性能通常比NOR高幾個數量級。
通過比較兩種技術的物理架構，不難發現為什么對于給定的裸片尺寸，NAND可提供更高的密度和容量，并具有很高的性價比。NAND實現高容量的關鍵在于NAND的單元尺寸只有NOR的一半。即使將單級單元NAND技術與多級NOR相比，結論也是如此。
通過采用簡單的生產工藝，生產商可以很容量地生產8MB至128MB的NAND產品。因此，越來越多的生產商樂于選擇NAND產品以滿足業務提供商提出的BOM成本目標。然而，要將NAND應用到可靠性和穩定性要求較高的住宅網關設備中，設計工程師將面臨艱巨的挑戰。
控制NAND性能的三種機制
1.外部硬件控制器：除NAND自帶的硅芯片外，還需要與實際閃存陣列相結合的控制器，從而在固態硅芯片上提供硬盤所能實現的功能。這類NAND管理系統的性能較高，但相應的成本也較高，其整體的耐久性和可靠性并不理想。
2.管理軟件：NAND閃存管理軟件系統的代碼非常復雜，且通常運行于住宅網關的主機CPU上。盡管采用管理軟件具有低成本的優勢，但同時也有嚴重可靠性問題。由于操作系統或閃存容量的每次變化都需要增加額外的成本，需要設計新的驅動程序和算法，從而限制了該解決方案的推廣應用。
3.硬件和軟件結合：硬件和軟件結合的方式，即硬件嵌入在閃存硅裸片上，與可選方案1相比，系統開銷略微增加。該類產品是唯一無需分離引導ROM器件即可啟動系統的基于NAND的產品，因此該類住宅網關的模塊結構極具成本效益。混合結構方法是住宅網關設計工程師最樂意采用的解決方案，該方法具有很高的可靠性和性能，并具有較高的成本優勢。盡管其初始成本比原始的NAND閃存解決方案略高，但減少了一般方案中NAND數據和可靠性問題可能額外增加的成本，因此從長遠的角度看，混合設計具有較好的成本效益。
選擇合適的存儲容量
設計工程師為住宅網關提供的存儲器容量多大才最合適呢？目前市場上已出現許多不同容量的存儲器，包括1MB到64MB的閃存，以及上千兆字節的硬盤存儲器。在一些需要大量媒體存儲的應用中，必須采用硬盤存儲器，同時用閃存作為軟件代碼存儲。目前市場上出現采用1MB、2MB或4MB閃存的設計，這種似乎為占領市場的1-4MB存儲器的設計難以帶來任何市場增值，僅僅略微降低了一點產品市場價格。
真正的住宅網關必須具備使ISP能為用戶提供眾多業務選擇的能力：一些業務是目前已有的，而有些業務則尚未可知。要提供充足的空間，當前設計的最小閃存容量應為8MB至16MB，預計到2003年則將達到32MB至64MB。而實際上，采用單級單元技術或多級單元技術的16MB至32MBNAND閃存的成本與4MB至8MB的NOR閃存相當。
評論