在21世紀中,微處理器制造商不再依賴于持續縮小的設計規則,而是利用多核實現并行計算。然而,存儲器芯片架構卻并未跟進,據從事密碼破解的研究人員稱,他們已經創造了一種面向21世紀的存儲器芯片架構,這種架構利用并行方法實現與多核微處理器的配合,從而并發訪問多顆存儲器芯片。

“我的設計廣泛借用了來自當今現代多核CPU的技術,”Joseph Ashwood說道。他是位于加州Gilroy的一位獨立安全密碼專家,在2001年前他曾任位于加州Santa Clara的Arcot Systems公司的主任密碼專家。“利用并發技術的發展,我的存儲器架構具有一些與光纖通道一樣的功能。”

據Ashwood透露,他的架構在存儲器芯片上給位單元提供并行訪問的能力,這種架構能夠被應用于任何存儲器芯片的位元,從而打破了限制非易失性存儲媒介—像閃存—的瓶頸。Ashwood的存儲器架構是通過在一顆芯片上把智能控制器電路集成在存儲器陣列旁邊來實現的,從而為存儲器陣列提供幾百個并發過程來并行訪問存儲器,因此,提高了吞吐量并進一步縮短了訪問時間。

“我們采取新方法來集成存儲器,其中,若干新單元借用了我在密碼學方面的經驗。我基本上采用非常深奧的密碼編碼技術來創建存儲器架構,從而得到非常快速以及緊湊的、獨一無二的新設計。創建這些新單元獲得了許多好處,特別是在并發訪問能力上,讓幾百個存儲器能夠同時工作,”Ashwood說道。

“例如,與DDR相比,我的架構深入到芯片內部,并識別位元是如何被訪問的,因此,更有效率地利用了位元,”他補充說,“傳輸率更快,例如,目前DDR II DRAM每秒僅僅達到12GB的速率,而我們的架構當采用閃存時能夠每秒傳輸16GB,并且與PRAM或任何其它非易失性半導體存儲器單元兼容。”

聽起來不錯,真的嗎？當Ashwood描繪許可這一技術時,位于紐約的J.L. Associates的創始人JoAnne Leff考慮也是這個問題,因此,她把設計送往卡內基梅隆大學做確認。

“我們持懷疑態度,當然,卡內基梅隆大學向我們證實說,Ashwood的存儲器架構確實在存儲器設計上取得了突破,”Leff說,“現在,我們想把它許可給涉及這一技術的應用的所有主要玩家,不僅僅要改善每一個存儲器芯片的性能,而且要讓用戶快速、并行地訪問固體驅動器。”卡內基梅隆大學為J.L. Associates做的評價稱,利用非易失性存儲器芯片的固體驅動器是一種特別好的應用,而Ashwood的存儲器架構通過改善現在以及將來的性能可使非易失性存儲器—如閃存—市場煥發新生,因為擴展到更大的容量會提供并發訪問能力。

“這種新技術使得在單一非易失性芯片上實現并行數據存儲以及訪問成為可能。由這種技術創建的可擴展性提供了較高的訪問速度,并在單一芯片水平上以較高的存儲容量存儲數據。利用片上電源管理,該技術真正使需要為不同的高容量非易失性存儲器件提供片上高速數據傳輸的應用成為可能,”卡內基梅隆大學在評價中說,“許多人—如Gordon Bell—已經預測到2015年,諸如PDA和蜂窩電話這樣的設備將需要采用至少1TB的非易失性存儲容量。這種存儲器技術發明為滿足那個要求提供了一種解決方案。”

然而,Ashwood承認,他的存儲器架構存在兩個缺點。首先,它仍然僅僅是一種基于頁面訪問方式的設計。他計劃與獲得許可的人一道,在他們的存儲器陣列上實現這一設計,但是,迄今為止,僅僅完成了一次軟件仿真。

“我已經充分地開發了這種存儲器芯片架構,并且我已經運行了軟件仿真來驗證那是管用的,但是,迄今為止,我尚未完成電信號層面的仿真,那類細節取決于最終獲得該技術許可的人。”

第二個缺點在于,Ashwood存儲器架構的并行訪問開銷稍微放慢了對各個存儲器單元的存儲器訪問時間,但是,這種缺點被它的許多并行訪問通道彌補了,Ashwood說道。“例如,如果NAND閃存芯片目前具有20-50納秒的訪問時間,加上我的架構會把訪問時間增加到50-70納秒,”他說。“但是,要記住,在那段時間期間,可以并發進行100次或更多其它存儲器檢索操作,從而把有效訪問時間縮短為每次檢索僅僅為幾納秒。”

去年底,Ashwood為他的存儲器架構申請了專利,但是,芯片制造商可以在專利被授予之前實現其設計,于是,他選擇把大多數架構保密,直到明年改專利被授予為止。“這種架構是如此易于實現,以至于芯片制造商可以在少至三個月的時間內推出可工作的原型,”Ashwood說道。然而,Ashwood已經透露了其功能的主要輪廓—改造存儲器層次以實現對芯片數據的并行訪問,他還描述了它的特點并與DRAM以及硬盤做了性能比較。

“在傳統的存儲器架構中,存儲陣列添加的位元越多,性能退化越大；而在我們的存儲器架構中,性能隨著位元的增加而提高,”Ashwood表示,“例如,因為采用了我們的存儲器架構的縮放方式,如果你把我們的存儲器芯片的容量加倍,那么,其速度也比以前增加一倍。”開銷是低的,根據Ashwood透露,存儲器芯片的裸片面積僅僅增加大約3%。

“現有的閃存單元已經非常稠密,它們應該能夠在小于1立方英寸的體積內容納1TB的數據,”Ashwood說道,“問題在于,它們的良率會下降到30%,而速度僅僅為32MB/s。利用我們的技術,相同的閃存單元容許獲得最高90%的良率以及每秒16億字節的速率。”

如果利用具有多閃存芯片的Ashwood存儲器架構,使之配置為固體盤(SSD),那么,面積就不是增加3%。每一塊存儲芯片的裸片面積可能實際上比現在要小,因為對SSD的訪問電路—在驅動器上—對所有存儲器芯片均是通用的,他說。

利用這種存儲器架構,也將增加驅動器的壽命,Ashwood表示。閃存單元在燒毀以前僅僅能夠承受大約10萬次燒錄。通過在頁面重新分配中提供更大的靈活性,他說,Ashwood存儲器架構能夠把驅動器的壽命提高大約500倍。