在異步SRAM中實現(xiàn)速度與功耗的完美平衡

異步SRAM產(chǎn)品分為快速與低功耗兩個極為不同的產(chǎn)品類型，每個系列都具有其自己的一系列特性、應(yīng)用和價格?？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)來控制待機電流，以控制待機功耗。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，從而會增加存取時間。在高速SRAM中，存取時間具有最高優(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展存儲器時工作良好。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。快速SRAM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。

電源管理和待機功耗

定義設(shè)備功耗有兩個主要參數(shù)，分別是工作功耗和待機功耗。工作功耗是指設(shè)備在主動執(zhí)行其主要功能時消耗的電源。對于SRAM來說，就是在執(zhí)行讀寫功能時消耗的電源。待機功耗是指設(shè)備沒有工作，但依然處于通電狀態(tài)時所消耗的電源。對于絕大多數(shù)手持設(shè)備而言，SRAM大約有20%的時間在工作，而在其余80%的時間里，SRAM以待機模式與電源相連。

在以前大部分電子設(shè)備都連接至電源插座的時代，待機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行，而在不需要時則進(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時代。然而，MCU很難跟DRAM或閃存直接連接，因為這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)行的各種臨時運算。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：

（圖片來源：https://ece.uwaterloo.ca/~cdr/pubs/Andrei_PhD_thesis.pdf）

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，功耗是客戶購買時考慮的重要參數(shù)。因此，SRAM芯片的高待機功耗是無法接受的。

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。其中一個解決方案是混合器件——在存取時間和功耗上進(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大部分時間都處于待機狀態(tài)的應(yīng)用中，該優(yōu)勢會更加明顯。

我們來假設(shè)一個場景：某器件工作了一千個小時，SRAM的工作時間只占其中的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（WH），待機功耗為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，深度睡眠選項可將功耗降低40%.然而在使用深度睡眠模式時（無論是MCU還是SRAM），需要考慮的一個因數(shù)是進(jìn)入和退出深度睡眠模式所需的時間。如果這兩個工作周期的時間間隔比SRAM進(jìn)入和退出深度睡眠模式所用的時間還短，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)計工作（只需連接一個額外的引腳），便可將標(biāo)準(zhǔn)快速SRAM升級為PowerSnooze SRAM.