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新型存儲器技術未來將主導存儲器市場

作者: 時間:2017-02-22 來源:半導體行業(yè)觀察 收藏

  主導著許多SoC,我們很少聽說某個設計包含太多的。然而,消耗了大部分的系統(tǒng)功耗,雖然這對于許多系統(tǒng)可能不是關鍵問題,但是對于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)邊緣設備而言,總功耗是非常重要的。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201702/344278.htm

  幾乎所有系統(tǒng)的存儲需求都在變化。雖然新的存儲器和存儲器架構已經(jīng)籌劃了很長時間,但仍未被廣泛采用。然而,許多業(yè)內(nèi)人士認為臨界點已然將近。

  過去50年中,SRAM和已經(jīng)成為存儲器層次結構的主力,F(xiàn)LASH最近幾年也在加入了“戰(zhàn)場”。所有這些存儲結構在往較小的幾何結構縮放的過程中都存在問題,部分是因為它們都是平面結構。新的基于電阻開關的存儲技術是金屬層結構,消除了許多制造問題。因此,盡管我們今天可能不愿意采用它們,但它們可能是適合未來幾代產(chǎn)品的唯一的存儲技術。

新型存儲器技術未來將主導存儲器市場

 

  圖1:存儲器分類

  引人注目的新存儲器包括:相變存儲器(PCM)、鐵電存儲器(FeRAM)、磁阻RAM(MRAM)、電阻RAM(RRAM或 ReRAM)、自旋轉移力矩RAM(STT-RAM)、導電橋RAM(CBRAM)、氧化物電阻存儲器(OxRAM)。

  Rambus公司的杰出發(fā)明家和營銷方案副總裁Steven Woo說:“經(jīng)典存儲架構中有一個需要填補的空白。這些新型存儲器中有一兩種會生存下來,可能是3D XPoint(英特爾和鎂光公司研發(fā)的PCM)、ReRAM、MRAM,也可能是其他的存儲器,我不知道。關鍵問題是哪種會脫穎而出。但這主要由在給定性能參數(shù)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)輸入輸出確定。”

  與性能直接相關的是功耗。 Adesto首席技術官Gideon Intrater說:“在給定功耗下的性能是一個非常重要的因素。在不同的應用中,存儲器的用途非常不同,而且需求也是變化的。沒有一個解決方案可以解決所有問題。”

  那么,存儲器子系統(tǒng)消耗了多少能量? Sonics的首席技術官Drew Wingard說:“我們對于特定應用芯片的統(tǒng)計數(shù)據(jù)已經(jīng)搜集完成,得到了計算系統(tǒng)的數(shù)據(jù),即各個系統(tǒng)占功耗的百分比。這些數(shù)字往往包括內(nèi)存子系統(tǒng)。當你一層層剝開其神秘面紗后,你會看到許多架構的存儲器功耗,存儲器功耗大約占總功耗的1/3至1/2。”

  功耗和非易失性是FLASH存儲器吸引人的因素。Synopsys公司IP部門高級產(chǎn)品營銷經(jīng)理Faisal Goriawalla說:“許多物聯(lián)網(wǎng)設備依賴能量采集器,所以客戶關注的是總功耗。設想一下,RFID標簽。這些無源標簽用于銷售終端,不是用電池供電,而是從讀取器的RF場獲取能量,因此功率約束非常嚴格。”

  物聯(lián)網(wǎng)設備的另一個驅動力是成本。Cadence公司存儲器和存儲接口產(chǎn)品營銷部門總監(jiān)Lou Tero表示:“如果把存儲器放在芯片上,就會刪除引腳,降低了系統(tǒng)的成本。另一方面是硅面積增加。這是典型的SRAM。但是,如果需要嵌入式Flash,則需要一個特殊過程,成本十分昂貴。如果把所有的存儲器都放在芯片裸片上,就會降低材料成本。如果需要放置比芯片裸片適合的更高的密度,那么就必須離開芯片。”

  計算總能量

  存儲器消耗的總能量有幾個部分,所有都要仔細考慮。它們是:

  存儲單元維護功率;

  讀、寫和擦除功率;

  接口功率;

  架構的優(yōu)化。

  不同的應用可以用不同的方式平衡這些因素以及其它特性,例如持久性和性能。

  有一種能量成本與存儲單元自身相關。這可能包括漏電流、刷新電路、或維持狀態(tài)所需的有功電流。與許多存儲器相關的總能量也可能取決于它們的規(guī)模,因為增加位線的規(guī)模會增加驅動電路的功耗,或在每個周期必須刷新的數(shù)據(jù)量。

  以為例。Tero說,“的成本競爭力雖然不理想,但它使用必須刷新的電容單元。當你增加密度,單元容量下降——多虧了物理學定律——你必須經(jīng)常刷新。所以它們試圖變得更智能,包括諸如某些模式下的局部陣列自刷新技術,如果整個DRAM并不需要,那部分就不用自刷新。”

  其他類型的存儲器,例如SRAM,擁有無源動力功率元件,這些元件只是為了維持它們的狀態(tài)。非易失性存儲器(NVM)可能有零保持電流,無法忘記周圍的邏輯。Goriawalla說,“漏電可能來自圍繞存儲核心的電路,NVM有一個使用傳統(tǒng)CMOS器件的模擬組件。這些是較大的器件,所以這些器件的柵漏相當小,但是也有數(shù)字組件會產(chǎn)生柵漏。”

  接下來是讀、寫和擦除存儲單元所需要的能量。這些成本中的幾個將與存儲技術相關。Goriawalla繼續(xù)說:“對于許多類型的FLASH存儲器,寫入電流往往高于讀取電流。相比之下,多時間可編程(MTP)NVM具有相當高的能效。它們的程序電流低50倍,讀取電流低10倍。 其原因是存儲電荷的機制。在MTP存儲器中,利用Fowler Nordheim(FN)電子隧穿,比嵌入式閃存使用的熱載流子注入更節(jié)能。”

  另一個考慮是訪問機制。例如,許多Flash技術需要串行訪問。CEA-Leti的高級系統(tǒng)和集成電路架構師Michel Harrand表示:“利用一些新興的存儲技術,你可以隨機訪問它們,無需順序訪問。你需要一些能量來寫入一位,可能是10微安,這比DRAM略大,但DRAM是破壞性讀出。當你讀取一位時,你要讀取完整的字線,然后你必須重寫所有。新興的NVM可以節(jié)省一些能量,即便它們寫入一位需要更多的能量。它們不需要刷新。它會在你要寫入的位數(shù)之間進行權衡。所以很難有確切的數(shù)字,因為它取決于你寫入以及讀取的位數(shù)。”

  進出存儲器的數(shù)據(jù)必須通過某種總線傳輸。Tero說:“存儲器的大部分功耗與接口本身相關。在某些情況下,你面對的是難以改變的物理學規(guī)律。如果遵循這些標準,則I/O電壓會發(fā)生變化,以幫助緩解這種情況。原來1.5V的DDR3已經(jīng)變成了1.2V的DDR4和1.1V的LPDDR4。 從動態(tài)功率的角度來看,電壓是關鍵組件,當你降低電壓時可以降低動態(tài)功耗。”

  降低接口成本的另一種方法是在芯片上集成,但是DRAM不能被嵌入,而且縮小Flash變得越來越困難。Goriawalla說:“系統(tǒng)功耗受到掩膜數(shù)量等因素的影響。與CMOS技術相比,嵌入式閃存需要12-14個額外的掩膜,并且可以增加25%的芯片裸片成本。”


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關鍵詞: 存儲器 DRAM

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