異步SRAM高性能低功耗存儲器的實(shí)現(xiàn)

異步SRAM產(chǎn)品分為快速與低功耗兩個(gè)極為不同的產(chǎn)品類型，每個(gè)系列都具有其自己的一系列特性、應(yīng)用和價(jià)格?？焖佼惒絊RAM具有更快的存取速度，但功耗較高；低功耗SRAM功耗低，但存取速度慢。
　　從技術(shù)角度看，需要進(jìn)行這樣的利弊權(quán)衡：在低功耗SRAM中，使用特殊柵極誘導(dǎo)漏極泄漏（GIDL）控制技術(shù)來控制待機(jī)電流，以控制待機(jī)功耗。這些技術(shù)涉及在上拉路徑或下拉路徑中增加額外的晶體管，這樣存取延遲就會加劇，從而會增加存取時(shí)間。在高速SRAM中，存取時(shí)間具有最高優(yōu)先級，因此無法使用這種技術(shù)。此外，該晶體管也可增大尺寸，以增加電荷流。尺寸的增大可減少傳播延遲，但同時(shí)會增加功耗。
　　從應(yīng)用需求角度看，該權(quán)衡奠定了兩種不同的應(yīng)用基礎(chǔ)?？焖賁RAM在作為高速處理器的直接接口高速緩存或高速暫存擴(kuò)展存儲器時(shí)工作良好。低功耗異步SRAM可用于為功耗必須非常低的系統(tǒng)臨時(shí)存儲數(shù)據(jù)。因此，快速SRAM通常用于服務(wù)器和航空設(shè)備等高性能系統(tǒng)，而低功耗SRAM則主要用于POS終端以及PLC等電池供電設(shè)備。
　　然而，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的有線設(shè)備也推出了電池供電移動版本。過去幾年，我們還見證了無線應(yīng)用的大量推出，其帶來了無線設(shè)備的長足發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）促進(jìn)了新一代醫(yī)療設(shè)備、手持設(shè)備、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)以及工業(yè)控制器的發(fā)展，它們正在徹底改變各種設(shè)備的工作與通信方式。在這些移動設(shè)備中，快速SRAM和低功耗SRAM都不能全面滿足需求?？焖賁RAM流耗大，很快就會耗盡電池，而低功耗SRAM則存取速度不足，不能滿足這些復(fù)雜設(shè)備的需求。
　　對于現(xiàn)代電子設(shè)備的所有重要組件而言，降低功耗并縮小封裝是目前面臨的兩個(gè)最大的挑戰(zhàn)。對于異步SRAM來說，這種挑戰(zhàn)就是在小型封裝中創(chuàng)建功耗顯著降低的快速SRAM.雖然很多SRAM制造商都已經(jīng)開始提供采用少數(shù)引腳及裸片尺寸封裝的產(chǎn)品，但并沒有滿足市場對高性能低功耗存儲器的需求。
　　電源管理和待機(jī)功耗
　　定義設(shè)備功耗有兩個(gè)主要參數(shù)，分別是工作功耗和待機(jī)功耗。工作功耗是指設(shè)備在主動執(zhí)行其主要功能時(shí)消耗的電源。對于SRAM來說，就是在執(zhí)行讀寫功能時(shí)消耗的電源。待機(jī)功耗是指設(shè)備沒有工作，但依然處于通電狀態(tài)時(shí)所消耗的電源。對于絕大多數(shù)手持設(shè)備而言，SRAM大約有20%的時(shí)間在工作，而在其余80%的時(shí)間里，SRAM以待機(jī)模式與電源相連。
　　在以前大部分電子設(shè)備都連接至電源插座的時(shí)代，待機(jī)功耗在成本和便捷性方面都不是什么問題。然而對于當(dāng)前電池供電設(shè)備而言，待機(jī)功耗可增加明顯的電源優(yōu)勢。如果電源是不可充電的電池，那電池消耗殆盡的速度會更快。在可充電電池應(yīng)用中，最大的問題是：如果需要過于頻繁地充電就很不方便，這正好違背了移動設(shè)備的初衷。
　　降低功耗的需求最早來自微控制器，因此制造商不得不尋找各種替代方案代替?zhèn)鹘y(tǒng)工作及待機(jī)這兩種狀態(tài)模式。這使TI和NXP等公司推出了具有特殊低功耗工作模式（稱為深度斷電模式或深度睡眠模式）的MCU.這些控制器可在正常工作中全速運(yùn)行，而在不需要時(shí)則進(jìn)入低功耗模式。這樣，系統(tǒng)可在不影響高性能的情況下降低功耗。在該低功耗模式下，外設(shè)和存儲設(shè)備也有望省電。電源管理的重點(diǎn)現(xiàn)已轉(zhuǎn)移至與這些系統(tǒng)相連的存儲設(shè)備。
　　支持片上電源管理的SRAM
　　在我們介紹片上電源管理SRAM的概念及無限潛力之前，我們先來了解為什么現(xiàn)在需要它。在電路板上，異步SRAM通常與MCU相連作為擴(kuò)展存儲器，其可用做高速緩存或高速暫存存儲器。與DRAM和閃存等其它存儲性存儲器相比，SRAM具有密度局限性：當(dāng)前可用的SRAM最大存儲密度是8MB，而DRAM則已進(jìn)入GB時(shí)代。然而，MCU很難跟DRAM或閃存直接連接，因?yàn)檫@些存儲器一般具有很長的寫入周期，不能與MCU同步。高速工作的MCU需要可以存儲重要數(shù)據(jù)的高速緩存，以及以一種能夠進(jìn)行快速存取的方式進(jìn)行的各種臨時(shí)運(yùn)算。SRAM最適合用作MCU與存儲性存儲器之間的高速緩存。
　　下圖不僅更好地說明了存儲器的不同階段，而且還指出了哪里需要SRAM：
　　
　?。▓D片來源：https://ece.uwaterloo.ca/~cdr/pubs/Andrei_PhD_thesis.pdf）
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以下因素進(jìn)一步推動了對低功耗快速SRAM的需求：

1.在具有各種新工藝節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)代MCU中，嵌入式高速緩存的作用越來越有限；

2.由于上述原因以及MCU現(xiàn)已變得越來越高級，因此外部高速緩存正日益變得更加重要。因而，當(dāng)務(wù)之急是讓SRAM不再成為限制因素；

3.在電池供電應(yīng)用中，功耗是客戶購買時(shí)考慮的重要參數(shù)。因此，SRAM芯片的高待機(jī)功耗是無法接受的。

由于以上所有因素，SRAM制造商多年來一直在嘗試取消快速產(chǎn)品與低功耗產(chǎn)品之間的利弊權(quán)衡。其中一個(gè)解決方案是混合器件——在存取時(shí)間和功耗上進(jìn)行快速與低功耗的搭配。然而，這些混合SRAM無法滿足快速SRAM可滿足的性能要求。最好的解決方案是支持片上電源管理的快速SRAM，其既可確保高性能，又可實(shí)現(xiàn)低功耗。

支持片上電源管理的SRAM的工作方式跟支持片上電源管理的MCU類似。除了工作模式和待機(jī)工作模式以外，還有深度睡眠工作模式。這種設(shè)置允許SRAM芯片在標(biāo)準(zhǔn)工作模式下全速存取數(shù)據(jù)，而在深度睡眠模式下不執(zhí)行任何功能，因此流耗極低（比普通快速SRAM的待機(jī)功耗低1000倍）。

下表針對快速SRAM、低功耗SRAM以及支持深度睡眠工作模式的快速SRAM進(jìn)行了各種參數(shù)比較：



這些數(shù)字清楚地展示了與使用標(biāo)準(zhǔn)快速SRAM相比，使用“帶深度睡眠模式”的SRAM的優(yōu)勢。在SRAM大部分時(shí)間都處于待機(jī)狀態(tài)的應(yīng)用中，該優(yōu)勢會更加明顯。

我們來假設(shè)一個(gè)場景：某器件工作了一千個(gè)小時(shí)，SRAM的工作時(shí)間只占其中的20%.如果該SRAM是一款工作電壓為3.3V的快速SRAM，那它的工作功耗就將為120瓦時(shí)（WH），待機(jī)功耗為80 WH.總功耗將為200 WH.現(xiàn)在，如果我們使用具有深度睡眠模式的快速SRAM，工作功耗依然是120 WH，但待機(jī)功耗則銳減至0.06 WH.總功耗大約為121 WH.因此在該具體應(yīng)用中，深度睡眠選項(xiàng)可將功耗降低40%.然而在使用深度睡眠模式時(shí)（無論是MCU還是SRAM），需要考慮的一個(gè)因數(shù)是進(jìn)入和退出深度睡眠模式所需的時(shí)間。如果這兩個(gè)工作周期的時(shí)間間隔比SRAM進(jìn)入和退出深度睡眠模式所用的時(shí)間還短，那該方法就不適合。

迄今為止，唯一推出支持片上電源管理的SRAM的公司是賽普拉斯半導(dǎo)體公司，該產(chǎn)品為PowerSnoozeTM.PowerSnooze SRAM采用54-TSOP和48-BGA等標(biāo)準(zhǔn)封裝，與普通快速SRAM一樣。為使用深度睡眠功能，該產(chǎn)品還提供了一個(gè)特殊引腳（DS），可將低電平有效切換至進(jìn)入深度睡眠模式。標(biāo)準(zhǔn)快速SRAM上的同等引腳恰恰是無連接（NC）。因此只需極少的設(shè)計(jì)工作（只需連接一個(gè)額外的引腳），便可將標(biāo)準(zhǔn)快速SRAM升級為PowerSnooze SRAM.
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