Я бы смотрел в сторону SD-карт и делал бы нормальный контроллер для них в ПЛИС.
Вы даже не представляете на что способны современные карты с хорошим контроллером
Я недавно тестил SDXC на ноуте - 75МБ/сек на запись и 90МБ/сек на чтение. И все это на 4-х битном интерфейсе, как я понял 4 бита x100МГц x 2 (DDR).
ARM ядро необязательно, у нас есть vm80a - всего 600 ячеек и 100МГц . Операции с картой оно как-нибудь потянет