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SD卡技術與應用趨勢
 

【作者: 王耀明】   2004年11月04日 星期四

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SD小型記憶卡結合半導體(Solid-state electronic)製程之快閃記憶體(Flash Memory),成為新一代多媒體資料儲存裝置,已經廣泛的應用在數位相機、數位攝影機、手持式或膝上型電腦、手機、電子隨身聽、電子錄音機、手持式個人資料處理器及其他家用電子器材...等。目前使用SD Memory Card為儲存裝置的自有品牌廠商已高達222家,在產品種類方面已達31大類,共有高達2602件的產品行銷於世界各地;如(圖一)。



《圖一 SD卡相關產品及應用領域》
《圖一 SD卡相關產品及應用領域》

<資料來源:SDA>


小型記憶卡提供了可重複抹寫、無需電源保存資料之儲存裝置、外型輕巧及具較佳之防震、防磁及防塵之環境適應特性。從1990年起快閃記憶體卡(Flash Memory Card)問市後,陸續有Compact Flash(CF)、Smart Media(SM)、Multi Media Card(MMC)、Memory Stick(MS)、Secure Digital(SD)、xD-Picture Card(xD)及Trans Flash(T-Flash)等七種小型記憶卡陸續推出,造成一股記憶卡的市場爭奪戰,其中又以MMC、MS、SD三種記憶卡競爭最為激烈。以下先介紹各種不同規格的小型記憶卡,再針對SD卡的市場與技術現況深入分析。



《表一 小型記憶卡規格特性比較》
《表一 小型記憶卡規格特性比較》

小型記憶卡的規格演進

針對市售小型記憶卡規格及外形尺寸大小進行分析比較,結果如(表一)及(圖二)。小型記憶卡的演進如(圖六),而其演進過程及發展特性分述如下:


《圖二 小型記憶卡尺寸大小比較》
《圖二 小型記憶卡尺寸大小比較》

小型記憶卡規格演進

@小標CF卡


CF卡在1994年正式推出,並於1995年10月成立Compact Flash Association,持續推動CF卡,直到現今以其具有高儲存容量的特質,仍在小型記憶卡中佔有一席之地,其多數應用在專業之數位相機及需要大量資料儲存之裝置中,如手持式醫療設備。而使用者並不計較其體積的大小(體積是目前小型記憶卡中最大,42.8mm× 36.4mm×3.3mm;5.14 ml),目前最大容量為4GB。



《圖三 小型記憶卡發展歷史》
《圖三 小型記憶卡發展歷史》

SM卡

Smart Media Card是於1996年推出,在1996年4月成立的SSFDC Forum推動下,是當時第一個規格標準化的小型記憶卡,由於其厚度為目前最薄的小型記憶卡,其具彈性的外表容易毀損,記憶卡本身並不包含控制器(Controller),其最大容量受限於128MB,後來為Fujifilm及Olympus共同主導推廣,目前已經為其下一代xD-Picture Card所取代。


MMC卡

MMC是緊接著SM Card於1997年11月由當時的SanDisk及Siemens共同推出,並成立MMCA推廣,是另一早期標準化的記憶卡,由於其堅硬的塑膠外殼設計,較SM Card不易受損,且其接腳可與後來推出的SD Memory Card相容,亦可插入SD Memory Card插槽(SD卡較厚,插槽可相容於MMC Card),但MMC無保密機制,無法相容於具CPRM保密機制之SD Music Player, MMC以1 bit傳輸資料,相較於SD 以4 bits的資料傳輸速率,已經漸漸被市場上追逐高傳輸速率的使用者所淘汰。其為手機設計之RS-MMC,也就是半截的MMC,目前已經為國際手機大廠(如Nokia、Siemens)選為標準配備,近期亦公佈MMC 4.0的新規格,其具有8 bits的資料傳輸速率,已深受小型記憶卡廠商重視,可望與SD Memory Card展開下一波傳輸速率的競賽。目前MMC最大容量可達1GB,RS-MMC目前最大容量可達512MB。


MS卡

於1998年7月由日本Sony自行開發、製造的Memory Stick小型記憶卡,正式對外界推出,同時並授權Aiwa, Kenwood, Pioneer, Sanyo, Sharp及Fujitsu等六家公司,共同開發Memory Stick Digital Audio的應用及推廣,以必免重蹈當年Betamax被影像品質略遜一籌的VHS Video format所打敗的命運。Sony挾持其製造小型家電及手持電子設備之優式,採用Memory Stick Card介面之產品快速成長,而其推出之小型Memory Stick Duo也被大量使用在手機、數位相機及Music Player等小型化產品上。由於Memory Stick定址容量限制,其最高容量為128MB,採用two-bank switch的方式,可達256MB的容量。為了超越此一容量限制,Sony推出Memory Stick Pro,目前記憶容量可達2GB,雖然體型外觀與Memory Stick相同,但是確無法相容於舊有使用Memory Stick的Host產品。Memory Stick Duo Pro,目前記憶容量可達512MB。


SD卡

1999年8月由Matsushita、Toshiba、SanDisk


三家公司共同協議開發SD Memory Card,並於2000年1月正式成立SD Association。SD Memory Card具有CPRM保密機制,可提供需要智權保護之產品應用。近期手機大廠Nokia亦申請加入SDA,並成為17家SDA理事會(Board of Directors)會員之一,未來對推廣miniSD Card將會有很大助益。SD Memory Card容量僅次於CompactFlash Card預計2005年可達2GB,miniSD Memory Card目前可達512MB。


xD卡

數位相機製造業者Fujifilm及Olympus於2002年7月,共同推出xD-Picture Card以取代之前的SmartMedia Card,由於其並無控制器(Controller)之設計,Host端必須增加成本,但是其不論容量及傳輸速率都有顯著的進步。目前最高容量為512MB。


T-Flash卡

2004年2月26日SanDisk正式向全世界宣佈,世界最小之小型記憶卡T-Flash(11mm x 15mm x 1mm)誕生,其採用與SanDisk之前開發的miniSD及TriFlash相同之低單價高容量設計理念,此為SanDisk研發之NAND MLC(Multi-Level Cell) Flash技術,其主要是能允許兩個位元(Two Bits)資料可以儲存在一個記憶單元(Memory Cell)內,打破傳統的每一個記憶單元(Memory Cell)只能儲存一個位元的資料,如此可增加相對空間資料的儲存量。T-Flash主要是針對3G 手機(Third Generation Cell Phone)之應用而開發,可提供完整的多媒體儲存及應用功能。其傳輸界面透過SD Adapter(轉接卡),可以完全相容於SD Memory Card(未來極有可能成為micro-SD Card的新規格),並具有CPRM的智權保護機制。目前最高容量為128MB。


《圖四 SD卡的結構》
《圖四 SD卡的結構》

<資料來源:SDA>


SD小型記憶卡演進及技術發展

SD記憶卡於1999年8月由松下電子(Matsushita Electric)、SanDisk及東芝(Toshiba)


三家公司共同達成開發協議,為下一世代的半導體儲存裝置制定新的產業標準規格,並共同命名為“SD”(SD亦為早期DVD的稱呼)記憶卡。隨後並成立一家名為SD-3C的公司負責將相關技術規格授權廠商製造。並於2000年1月正式成立SD Association(www.sdcard.org),向全世界推廣SD記憶體標準規格,並進行制定SD卡相關應用產品規格及檢測規範。


由於儲存媒體的演進同時也改變了數位內容複製的觀念,從早期數位內容保護是以控制的觀念為思考模式(僅有禁止及自由複製兩種思維,兩者以外就是盜版行為);而新的數位時代,由於個人創作產品及內容逐漸普及,於是衍生出高品質數位內容複製的需求,同時也掀起了擁有數位內容版權者、多樣化保護智慧財產權的需求,在強調個人數位版權管理的時代,新的數位內容使用規則於是產生;SD記憶卡具有CPRM(Content Protection for Recordable Media)智權保護機制,可使用在Music Player上,具有數位音源保護的功能,CPRM主要由四家公司主導(IBM、Intel、Toshiba及Matsushita),並成立一家名為4C Entity的公司進行相關智權保護應用產品使用及製造授權;由於SD卡強調的是Secure Digital,因此只要是SD Memory Card,必需具有CPRM之智權保護機制,以配合不同種類應用產品的資料保護需求。


SD Memory Card並設計具有I/O功能(如:UART、Bluetooth、GPS、Camera、PHS、Wireless LAN),其多用途之應用機制是造成目前電子產品製造業爭相投入的關鍵。其亦設計小型之miniSD Card,可用在手機、數位相機及Music Player等小型化電子商品上,以與RS-MMC及Memory Stick Duo Pro競爭。


SD記憶卡內部的結構如(圖四),可區分為卡控制器(Card Controller)、記憶體控制器(Memory Controller)及記憶體(Memory Chip)三大部份。卡控制器包含了:卡與應用產品端之介面傳輸協定機制、編碼機制及版權保護機制。記憶體控制器主要是負責,將卡控制器指令轉換成對記憶體存取之功能;可依據不同的記憶體構造技術進行搭配設計,以獲得最佳之資料儲存及傳輸功能。Flash記憶體用於目前小型記憶卡資料儲存方面,可大致區分為AND及NAND Flash技術兩種,存取資料方式依不同技術而有所不同。


SD卡(24×32×21 mm)外殼包裝接腳相容於Multi Media Card(24×32×14 mm),但比Multi Media Card多出0.7mm的厚度,可提供較多的記憶體擺設空間,側邊滑軌可防止卡片上下反插,具有如同VHS或MD防止寫入的保護開關,9個金屬接腳提供4bit資料並行傳輸介面;如(圖五)。



《圖五 SD Card的規格特性架構》
《圖五 SD Card的規格特性架構》

<資料來源:SDA>


SD卡各項規格特性詳述

目前有SD卡的外型規格有兩種:SD記憶卡及miniSD卡,如(表二)。miniSD卡主要是為了因應手機應用,縮小SD記憶卡尺寸設計而成,具有11個金屬接腳,較SD 記憶卡多出2支接腳,可做為未來增加功能的使用,如非接觸式的天線設計。電子商務(e-commerce)亦是未來手機應用的趨勢,卡的資訊保護機制(CPRM)仍是必備的特性之一,miniSD卡亦可透過轉接器(Adapter)相容於既有的SD記憶卡應用環境。


《表二 SD Memory Card and miniSD Card規格比較》
《表二 SD Memory Card and miniSD Card規格比較》

<資料來源:SDA>


如圖五,SD Card的規格特性架構包含了實體層(Physical Layer),負責定義卡的外型(Form factor)、電器特性(Electric characteristic)及一般的指令(General command)操作。檔案系統層(File System Layer),負責定義邏輯檔案(Logical File)架構。保密層(Security Layer),負責定義保密指令的操作。應用層(Application Layer),則包含11種產品應用,如SD-Audio、SD-Picture、SD-Vice、SD-pDocument、SD-Video、SD-PIM、SD-Image、SD-ePublish, SD- Sound、SD-Binding、SD-Map、SD Card等,另外又定義SDIO特性,IO應用範圍包含:Bluetooth(Type-A/B)、Camera、GPS、PHS、Wireless LAN...等。


在智慧財產內容的保護上,SD Card有以下特性:


  • ˙使用從個別金鑰(Private Key)推導出媒體介質獨特的金鑰(Unique Key),進行交互認證(Mutual Authentication)。


  • ˙金鑰儲存保護區,只有在交互認證確認無誤之後,才可以順利取得使用權。


  • ˙當需要將資料存入SD Card進行保護的時候,著作權保護訊息,將會透過儲存在保護區內之媒體介質獨特的金鑰(Unique Key)進行編碼,接著將需要保護的音樂內容借由著作權保護訊息進行編碼,存入資料區。


  • ˙當需要將受保護之資料從SD Card資料區讀出來的時候,經由成功的交互認證後,著作權保護訊息將會被讀出,當播放器將已經編碼的音樂內容讀出後,以著作權保護訊息進行受保護音樂內容的解碼,即可順利還原之前未經編碼保護之音樂內容。


  • ˙若只是將編碼保護之音樂內容,從資料區複製到其它SD Card,而沒有儲存在保護區內之媒體介質獨特的金鑰(Unique Key)來進行解碼,將無法順利播放原音。如此非法複製音樂內容將無法達成。SD Card保護著作權架構如(圖六)。



《圖六 SD Card保護著作權架構》
《圖六 SD Card保護著作權架構》

<資料來源:SDA、4C Entity>


結論

SD卡在SDA組織的推波助瀾之下,在不到四年的時間,市場占有率從7.5%成長到2003年的29.1%(Gartner 2003),並從IDC 2003年的報告顯示,SD Memory Card榮登2003年小型記憶卡世界銷售冠軍。SDA會員人數也從2000年成立之初的71家會員廠商,擴充到現今786家會員(請參考圖七)。在市場規格激烈競爭之下,不同規格的小型記憶卡為因應市場需求,除了增加產品外形(小卡支援3G手機)、應用功能(保密機制、IO功能及支援e-Commerce)、提昇效能(資料傳輸速率更快)及增加儲存容量之外,更應該透過Association, Forum或Alliance組織結盟架構方式,增加會員廠商參與制定應用產品新規格(如SDA下的Technical Committee),並進行市場產品的推廣(如SDA下的Marketing Committee),最後再以Compliance Committee來制定產品驗證測試規範,以確保產品使用安全及流通的相容性。


《圖七 SDA Membership》
《圖七 SDA Membership》

<資料來源:SDA>


在全球如Samsung及Hynix DRAM大廠,決定停止量產DRAM,全力投入Flash Memory製造下,台灣目前僅有少數廠商決定投入,其主要瓶頸在於生產及製程技術操縱在Toshiba/SanDisk、Samsung、STMicroelectronics/Hynix、Renesas、Saifun/Infineon...等國際大廠手裡。由於Flash Memory Chip占目前小型記憶卡總產值的一半左右,在未來可以預見的小型記憶卡市場激烈競爭之下,國內廠商若無法充分掌握生產Flash Memory的技術,相對於國際Flash Memory大廠,逐漸轉投入生產小型記憶卡;國內小型記憶卡廠商屆時將無招架之力。(作者任職於工研院光電所)


相關組織網站
Compact Flash Association
SSFDC Forum
MMCA
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