主導(dǎo)未來存儲(chǔ)器市場(chǎng)的新型存儲(chǔ)器到底有啥優(yōu)勢(shì)

存儲(chǔ)器是現(xiàn)代信息技術(shù)中用于保存信息的記憶設(shè)備。存儲(chǔ)器的主要功能是存儲(chǔ)程序和各種數(shù)據(jù)，并能在計(jì)算機(jī)運(yùn)行過程中高速、自動(dòng)的完成程序或數(shù)據(jù)的存取。存儲(chǔ)器是具有記憶功能的設(shè)備，它采用具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的物理器件來存儲(chǔ)信息。

DRAM和SRAM都是易失性存儲(chǔ)器，盡管這兩種類型的存儲(chǔ)器都可以用作程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，但是SRAM主要用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。DRAM和SRAM之間的主要差別是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的壽命。

 存儲(chǔ)器主導(dǎo)著許多SoC（片上系統(tǒng)），我們很少聽說某個(gè)設(shè)計(jì)包含太多的存儲(chǔ)器。然而，存儲(chǔ)器消耗了大部分的系統(tǒng)功耗，雖然這對(duì)于許多系統(tǒng)可能不是關(guān)鍵問題，但是對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)邊緣設(shè)備而言，總功耗是非常重要的。

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

過去50年中，SRAM和DRAM已經(jīng)成為存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的主力，F(xiàn)LASH最近幾年也在加入了“戰(zhàn)場(chǎng)”。所有這些存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)在往較小的幾何結(jié)構(gòu)縮放的過程中都存在問題，部分是因?yàn)樗鼈兌际瞧矫娼Y(jié)構(gòu)。新的基于電阻開關(guān)的存儲(chǔ)技術(shù)是金屬層結(jié)構(gòu)，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(chǔ)技術(shù)。

新型存儲(chǔ)器技術(shù)未來將主導(dǎo)存儲(chǔ)器市場(chǎng)

圖1：存儲(chǔ)器分類

引人注目的新存儲(chǔ)器包括：相變存儲(chǔ)器(PCM)、鐵電存儲(chǔ)器(FeRAM)、磁阻RAM(MRAM)、電阻RAM(RRAM或 ReRAM)、自旋轉(zhuǎn)移力矩RAM(STT-RAM)、導(dǎo)電橋RAM(CBRAM)、氧化物電阻存儲(chǔ)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(chǔ)架構(gòu)中有一個(gè)需要填補(bǔ)的空白。這些新型存儲(chǔ)器中有一兩種會(huì)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(chǔ)器，我不知道。關(guān)鍵問題是哪種會(huì)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(guān)的是功耗。 Adesto首席技術(shù)官Gideon Intrater說：“在給定功耗下的性能是一個(gè)非常重要的因素。在不同的應(yīng)用中，存儲(chǔ)器的用途非常不同，而且需求也是變化的。沒有一個(gè)解決方案可以解決所有問題。”

那么，存儲(chǔ)器子系統(tǒng)消耗了多少能量? Sonics的首席技術(shù)官Drew Wingard說：“我們對(duì)于特定應(yīng)用芯片的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)已經(jīng)搜集完成，得到了計(jì)算系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，即各個(gè)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(dāng)你一層層剝開其神秘面紗后，你會(huì)看到許多架構(gòu)的存儲(chǔ)器功耗，存儲(chǔ)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(chǔ)器吸引人的因素。Synopsys公司IP部門高級(jí)產(chǎn)品營銷經(jīng)理Faisal Goriawalla說：“許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備依賴能量采集器，所以客戶關(guān)注的是總功耗。設(shè)想一下，RFID標(biāo)簽。這些無源標(biāo)簽用于銷售終端，不是用電池供電，而是從讀取器的RF場(chǎng)獲取能量，因此功率約束非常嚴(yán)格。”

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的另一個(gè)驅(qū)動(dòng)力是成本。Cadence公司存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)接口產(chǎn)品營銷部門總監(jiān)Lou Tero表示：“如果把存儲(chǔ)器放在芯片上，就會(huì)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(gè)特殊過程，成本十分昂貴。如果把所有的存儲(chǔ)器都放在芯片裸片上，就會(huì)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(jì)算總能量

存儲(chǔ)器消耗的總能量有幾個(gè)部分，所有都要仔細(xì)考慮。它們是：

? 存儲(chǔ)單元維護(hù)功率;

? 讀、寫和擦除功率;

? 接口功率;

? 架構(gòu)的優(yōu)化。

不同的應(yīng)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(chǔ)單元自身相關(guān)。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(chǔ)器相關(guān)的總能量也可能取決于它們的規(guī)模，因?yàn)樵黾游痪€的規(guī)模會(huì)增加驅(qū)動(dòng)電路的功耗，或在每個(gè)周期必須刷新的數(shù)據(jù)量。

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

其他類型的存儲(chǔ)器，例如SRAM，擁有無源動(dòng)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(chǔ)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(chǔ)核心的電路，NVM有一個(gè)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(dāng)小，但是也有數(shù)字組件會(huì)產(chǎn)生柵漏。”

接下來是讀、寫和擦除存儲(chǔ)單元所需要的能量。這些成本中的幾個(gè)將與存儲(chǔ)技術(shù)相關(guān)。

Goriawalla繼續(xù)說：“對(duì)于許多類型的FLASH存儲(chǔ)器，寫入電流往往高于讀取電流。相比之下，多時(shí)間可編程(MTP)NVM具有相當(dāng)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(chǔ)電荷的機(jī)制。在MTP存儲(chǔ)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(gè)考慮是訪問機(jī)制。例如，許多Flash技術(shù)需要串行訪問。CEA-Leti的高級(jí)系統(tǒng)和集成電路架構(gòu)師Michel Harrand表示：“利用一些新興的存儲(chǔ)技術(shù)，你可以隨機(jī)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(dāng)你讀取一位時(shí)，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(huì)在你要寫入的位數(shù)之間進(jìn)行權(quán)衡。所以很難有確切的數(shù)字，因?yàn)樗Q于你寫入以及讀取的位數(shù)。”

進(jìn)出存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)必須通過某種總線傳輸。Tero說：“存儲(chǔ)器的大部分功耗與接口本身相關(guān)。在某些情況下，你面對(duì)的是難以改變的物理學(xué)規(guī)律。如果遵循這些標(biāo)準(zhǔn)，則I/O電壓會(huì)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(dòng)態(tài)功率的角度來看，電壓是關(guān)鍵組件，當(dāng)你降低電壓時(shí)可以降低動(dòng)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(shù)相比，嵌入式閃存需要12-14個(gè)額外的掩膜，并且可以增加25%的芯片裸片成本。”

還有其他因素會(huì)影響存儲(chǔ)器的總功率，如系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。緩存的設(shè)計(jì)是通過在芯片上放置少量快速、高功耗的存儲(chǔ)器以減少訪問時(shí)間，并且當(dāng)所需的信息不在緩存中時(shí)，僅需要訪問外部存儲(chǔ)器。這減少了與訪問外部存儲(chǔ)器相關(guān)的時(shí)間和能量。如果在高速緩存中可以存儲(chǔ)足夠的數(shù)據(jù)，則可以最小化接口功率。

但因?yàn)镾RAM 是高功耗的，所以物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)希望減少對(duì)其的依賴。然而，許多閃存器件，特別是在芯片外時(shí)，需要大量的SRAM。Intrater說：“無論何時(shí)，當(dāng)處理器需要一個(gè)不在緩存中的程序時(shí)，處理器將從外部存儲(chǔ)器獲取必要的程序，然后繼續(xù)。我們希望大部分程序都在緩存中。 閃存變成了內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)的一部分。”

但這正在改變。“有一個(gè)名為‘就地執(zhí)行’(XIP)的特征，此處你使用穿行NOR flash就像片外存儲(chǔ)器。您可以讓處理器直接從串行NOR flash讀取數(shù)據(jù)，就像存儲(chǔ)器一樣。

另一個(gè)影響功耗的因素是讀寫的規(guī)模。當(dāng)使用DDR時(shí)，單字節(jié)或字不會(huì)一次讀取，而是可能突然讀取512或1024。如果這是一個(gè)很好的能量使用，又如果不需要額外的字節(jié)讀取，那么它依賴于應(yīng)用程序，因此代表了浪費(fèi)。這是一個(gè)示例，其中性能已成為驅(qū)動(dòng)問題，并且對(duì)于許多系統(tǒng)可能是昂貴的功耗權(quán)衡。

NAND FLASH存儲(chǔ)器也存在類似的問題——不能寫入單一位置的，需要先擦除并隨后重寫存儲(chǔ)器塊。這意味著存在與小寫入相關(guān)聯(lián)的功率代價(jià)。 SRAM緩存，即使它消耗更多的功率，延遲寫入，但是可能提供節(jié)能。

對(duì)于許多系統(tǒng)，現(xiàn)有的內(nèi)存技術(shù)可能太耗電。Goriawalla說：“對(duì)于使用能量收集的系統(tǒng)。它們通常需要寫入電流小于5μA，讀取電流為幾μA/ MHz。這加上了VDD的最小值 0.7 ～ 0.9V。所以我們談?wù)摰氖俏⑿∠到y(tǒng)的功耗需求。 這些數(shù)字比大多數(shù)嵌入式閃存技術(shù)的數(shù)量級(jí)小。”

其他注意事項(xiàng)

同樣，成本有許多方面，其中一些已經(jīng)討論過。功耗對(duì)成本有直接影響，但其他因素包括引腳數(shù)量、封裝、芯片內(nèi)的成本，以及與板上集成相關(guān)的成本。

Intrater說：“小系統(tǒng)往往擁有位于同一芯片裸片的嵌入式閃存。但也有局限性。我們看到系統(tǒng)要遷移到28nm，但在流程節(jié)點(diǎn)沒有嵌入式閃存。閃存滯后于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝。如果可以使用嵌入式閃存，那么這就是始終不變的最優(yōu)解。但在許多情況下，這樣卻并不可行，原因在于成本，或者系統(tǒng)的其他部分需要更積極的過程節(jié)點(diǎn)。然后你需要恢復(fù)使用外部?jī)?nèi)存器，并開始遇到性能和功耗的問題。兩者之間的聯(lián)系需要具有正確的特性，以提供足夠的性能，并且消耗更多的功率。”

這一判決對(duì)于新的內(nèi)存類型變得更容易。 Harrand說：“在同一芯片上與邏輯一起進(jìn)行閃存處理是很困難的。新存儲(chǔ)器很友好，一切都在生產(chǎn)過程的后端。 這意味著在邏輯過程中可以有完全相同的晶體管，這使得它更容易嵌入邏輯或處理器。28nm使得嵌入式閃存過程變得很困難，所以我們有機(jī)會(huì)替換嵌入式閃存與這些新的記憶。”

許多互連架構(gòu)針對(duì)現(xiàn)有存儲(chǔ)器類型進(jìn)行了優(yōu)化。Harrand說：“DDR接口不太適合NVM。使用DDR，首先要聲明你想要尋址的行或頁面，然后聲明你是要讀取或?qū)懭?。這對(duì)于新興的NVM是不利的，因?yàn)槿绻阆胍x取或?qū)懭?，你一開始就必須知道。”Harrand表示，有辦法克服這一限制，但它們會(huì)降低性能。

另一個(gè)障礙是接受新的權(quán)衡。Harrand繼續(xù)說，“今天，我們可以擁有具備足夠續(xù)航力的高度DRAM，但是無法擁有高密度，但是可以同時(shí)擁有速度和續(xù)航力。會(huì)有一些被優(yōu)化接近DRAM，并具有完整的保留，或者有一些會(huì)有數(shù)日的保留，但并不是10年的保留，或者有一些會(huì)有優(yōu)化保留，但他們沒有速度。”

目前尚不清楚何時(shí)以及哪些新的存儲(chǔ)器將首先打破障礙，但微控制器的出現(xiàn)將這些新的存儲(chǔ)器嵌入到其中。隨著數(shù)量的增加，成本將下降，這將加速它的應(yīng)用。不久后，許多物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將別無選擇，尤其是如果它們想利用新的制造技術(shù)節(jié)點(diǎn)的話。