關(guān)于串行和并行接口SRAM的對比分析

外置SRAM通常配有一個并行接口?？紤]到大多數(shù)基于SRAM的應(yīng)用的存儲器要求，選擇并行接口并不令人驚訝。對于已經(jīng)（和仍在）使用SRAM的高性能（主要是緩存）應(yīng)用而言，與串行接口相比，并行接口擁有明顯優(yōu)勢。但這種情況似乎即將改變。

盡管能夠提供高于串行接口的性能，但并行接口也有劣勢。其中最明顯的是，無論是從電路板空間還是從引腳數(shù)要求的角度而言，并行接口的尺寸都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于串行接口。例如，一個簡單的4Mb SRAM最多可能需要43個引腳才能與一個控制器相連。在使用一個4Mb SRAM時，我們的要求可能如下：

A. 最多存儲256K的16位字

B. 最多存儲512K的8位字

對于“A”，我們需要使用18個引腳來選擇一個地址（因為存在2^18種可能），并另需使用16個引腳來進(jìn)行實際上的數(shù)據(jù)輸入/輸出。除了這34個引腳之外，使能我們還需要更多連接來實現(xiàn)使能芯片、使能使能輸出、使能使能寫入等功能。對于“B”，我們需要的引腳相對較少：19個引腳用于選擇地址，8個用于輸入/輸入。但開銷（使能芯片、使能寫入等）保持不變。對于一個容納這些引腳的封裝而言，僅從面積的角度而言，其尺寸已經(jīng)很大。

一旦地址被選擇后，一個字（或其倍數(shù)）將被快速讀取或?qū)懭?。對于需要較高存取速度的應(yīng)用而言，這些SRAM是理想選擇。在使用SRAM的大多數(shù)常見系統(tǒng)中，這種優(yōu)勢使得“太多引腳”的劣勢變得可以忽略不計，這些系統(tǒng)的控制器需要執(zhí)行極其復(fù)雜的功能，因此需要一個很大的緩存。過去，這些控制器通常較大，配有足夠的接口引腳。控制器較小、引腳較少的應(yīng)用不得不湊合使用嵌入式RAM。

在一個配備串行接口的存儲器芯片中，位元是被串行存取的（一次存取1位到4位）。與并行接口相比，這使得串行接口更加簡單和小巧，但通常吞吐量也更小。這個劣勢讓大多數(shù)使用SRAM的系統(tǒng)棄用了串行接口。盡管如此，新一代應(yīng)用的存儲器要求有可能很快打破引腳數(shù)和速度之間的平衡。

行業(yè)發(fā)展趨勢

處理器日趨強(qiáng)大，尺寸越來越小。更加強(qiáng)大的處理器需要緩存進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。但與此同時，每一個新的工藝節(jié)點讓增加嵌入式緩存變得越來越困難。SRAM擁有一個6晶體管架構(gòu)（邏輯區(qū)通常包含4個晶體管/單元）。這意味著，隨著工藝節(jié)點不斷縮小，每平方厘米上的晶體管的數(shù)量將會非常多。這種極高的晶體管密度會造成很多問題，其中包括：

圖：SER軟錯誤率Vs 工藝節(jié)點 Process node工藝節(jié)點 soft 軟錯誤率

更易出現(xiàn)軟錯誤：工藝節(jié)點從130nm縮小到22nm后，軟錯誤率預(yù)計將增加7倍。

更低的成品率：由于位單元隨著晶體管密度的增加而縮小，SRAM區(qū)域更容易因工藝變化出現(xiàn)缺陷。這些缺陷將降低處理器芯片的總成品率。

更高的功耗：如果SRAM的位單元必需與邏輯位單元的大小相同，那么SRAM的晶體管就必須小于邏輯晶體管。較小的晶體管會導(dǎo)致泄露電流升高，從而增加待機(jī)功耗。

另一個技術(shù)發(fā)展趨勢是可穿戴電子產(chǎn)品的出現(xiàn)。對于智能手表、健身手環(huán)等可穿戴設(shè)備而言，尺寸和功耗是關(guān)鍵因素。由于電路板的空間有限，MCU必須做得很小，而且必須能夠使用便攜式電池提供的微小電量運行。

片上緩存難以滿足上述要求。未來的可穿戴設(shè)備將會擁有更多功能。因此，片上緩存將無法滿足要求，對外置緩存的需求將會升高。在所有存儲器選項中，SRAM最適合被用作外置緩存，因為它們的待機(jī)電流小于DRAM，存取速度高于DRAM和閃存。

串行接口的崛起

當(dāng)我們觀察電子產(chǎn)品近些年的演進(jìn)歷程時，我們會注意到一個重要趨勢：每一代設(shè)備的尺寸越來越小，而性能卻保持不變甚至升高。這種縮小現(xiàn)象可以歸因于以下事實：電路板上的每個組件都在變小，從而造成了這樣的總體效果。早在1965年，高登·摩爾就在他著名的摩爾定律中預(yù)測了電路的縮小趨勢。但是，這個縮小趨勢并未發(fā)生在所有類型的電路中。例如，邏輯電路比SRAM電路縮小了很多倍。這造成了一個棘手的問題：即嵌入式SRAM開始占據(jù)90%的控制器空間。嵌入式SRAM的有限縮小還阻止了控制器以相應(yīng)于邏輯區(qū)域的程度縮小。因此，成本（與晶粒面積成正比）的降幅并未達(dá)到應(yīng)有的程度。由于處理器/控制器的核心功能由邏輯區(qū)執(zhí)行，將嵌入式SRAM移出芯片并以外置SRAM取而代之開始具有意義。

此外，可穿戴和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的迅猛發(fā)展也是這一趨勢的推動因素。與其它任何設(shè)計要求相比，這些設(shè)備最注重小巧的設(shè)計。因此，最小的MCU適合此類電路板，鑒于上述原因，這個“最小的MCU”極有可能不搭載一個嵌入式緩存。同樣，它也可能沒有太多的引腳。

所有這些發(fā)展趨勢都指向一個要求：一個小巧、能夠只扮演緩存的角色、并能使用最小數(shù)量的引腳相連的外置SRAM。串行SRAM就是專為滿足這個要求而量身定做的。存儲器在高速性能并非最重要因素的其它存儲器（DRAM、閃存等）中，串行接口已經(jīng)取代了并行接口。由于存在需要SRAM的應(yīng)用，串行SRAM在SRAM市場中一直處于小眾地位。在空間非常有限的特定應(yīng)用中，它們一直是低功耗、小尺寸替代方案。目前，在峰值時鐘速率為20MHz（10MB/s帶寬）條件下，串行SRAM最大容量為1Mbit。相比之下，并行SRAM的帶寬高達(dá)250MB/s，并支持最大64Mbit的容量。下表對比了一個通用型256Kbit并行SRAM和一個256Kbit串行SRAM。

由于所需驅(qū)動的引腳數(shù)較少，而且速度更低，串行接口存儲器通常比并行接口存儲器消耗更少的電能，而且其最大的好處在于較小的尺寸－無論是從設(shè)備尺寸還是從引腳數(shù)的角度而言。最小的并行 SRAM封裝是24球BGA，而串行SRAM提供8引腳SOIC封裝。但必需注意的是，WL-CSP是最小封裝，很多并行和串行存儲器廠商支持CSP封裝。市場上的并行SRAM勝過串行SRAM的地方是性能－尤其是在存取時間上。憑借寬得多的總線，并行SRAM能夠最大支持200MBps的吞吐量，而大多數(shù)得到廣泛使用的串行SRAM最多只支持40MBps。

如上表所示，存儲器存儲器串行接口存儲器在性能方面落后并行接口存儲器。由于數(shù)據(jù)流是順序的，它們不能提供相同的吞吐量。因此，串行存儲器存儲器最適合那些注重尺寸和功耗勝過存取時間的便攜式設(shè)備，如手持設(shè)備和可穿戴設(shè)備。

未來將會怎樣

在物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備興盛之前，串行 SRAM 的利潤還不足以吸引主流SRAM廠商的注意力。實際上，主要的串行SRAM廠商就是Microchip和On-semi。對于這兩家公司而言，SRAM并非它們的核心業(yè)務(wù)，在營收中的占比也很小。另一方面，靜態(tài)RAM領(lǐng)域的市場領(lǐng)袖（如賽普拉斯、ISSI和Renesas）一直以來只專注于并行SRAM。

這種情況可能會發(fā)生改變。隨著串行SRAM的商機(jī)不斷增多，我們很快就會看到傳統(tǒng)的SRAM廠商將進(jìn)軍串行SRAM領(lǐng)域。未來幾年，串行SRAM的產(chǎn)品路線圖注定會出現(xiàn)（因為這些公司擁有積極推動SRAM技術(shù)不斷進(jìn)步的悠久歷史）。容量和帶寬將是兩大推動力。靜態(tài)RAM領(lǐng)域的市場領(lǐng)袖賽普拉斯已經(jīng)將串行SRAM納入到其異步SRAM產(chǎn)品路線圖中（ http://www.cypress.com/?docID=49339 ）。事實上，賽普拉斯和Spansion的合并意味著，賽普拉斯已經(jīng)掌握了最新的Hyperbus技術(shù)（由Spansion首創(chuàng)），該技術(shù)能夠通過一個串行接口提供高達(dá)400MBps的吞吐量，因此，在這方面完勝DRAM。隨著主流SRAM廠商進(jìn)入該市場，開發(fā)人員不久將會獲得最先進(jìn)的串行SRAM。

大吞吐量、小巧的串行接口SRAM給我們帶來了無限的可能性。它最終有可能成為眾多電路板上當(dāng)代嵌入式SRAM和并行SRAM的全財產(chǎn)繼承者。