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就是這么完美!在異步SRAM中速度和功耗“齊步走”

發(fā)布時(shí)間:2015-01-27 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】快速和低功耗在異步SRAM產(chǎn)品中,是兩個(gè)完全不同類型的產(chǎn)品。這兩種類型是兩個(gè)不同的系列,它具有自己獨(dú)特的特性、價(jià)格和優(yōu)勢。因此要想在快速異步SRAM中實(shí)現(xiàn)低功耗,或者在低功耗SRAM中實(shí)現(xiàn)快速存取速度,那簡直異想天開。但是本文就實(shí)現(xiàn)了這兩種特性的完美平衡,難道是天方夜譚嗎?

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(huì)加劇,從而會(huì)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(huì)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)。快速SRAM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(chǔ)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(chǔ)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(dòng)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(dòng)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(huì)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(chǔ)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(dòng)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(huì)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(dòng)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(chǔ)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(chǔ)設(shè)備。
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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(chǔ)器,其可用做高速緩存或高速暫存存儲(chǔ)器。與DRAM和閃存等其它存儲(chǔ)性存儲(chǔ)器相比,SRAM具有密度局限性:當(dāng)前可用的SRAM最大存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)性存儲(chǔ)器之間的高速緩存。

下圖不僅更好地說明了存儲(chǔ)器的不同階段,而且還指出了哪里需要SRAM:

就是這么完美!在異步SRAM中速度和功耗“齊步走”
圖1
 
以下因素進(jìn)一步推動(dòng)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:

就是這么完美!在異步SRAM中速度和功耗“齊步走”
表1
 
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(huì)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??偣膶?00 WH?,F(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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