新型存儲器技術未來將主導存儲器市場

　　存儲器主導著許多SoC，我們很少聽說某個設計包含太多的存儲器。然而，存儲器消耗了大部分的系統功耗，雖然這對于許多系統可能不是關鍵問題，但是對于物聯網(IoT)邊緣設備而言，總功耗是非常重要的。

　　幾乎所有系統的存儲需求都在變化。雖然新的存儲器和存儲器架構已經籌劃了很長時間，但仍未被廣泛采用。然而，許多業內人士認為臨界點已然將近。

　　過去50年中，SRAM和DRAM已經成為存儲器層次結構的主力，FLASH最近幾年也在加入了“戰場”。所有這些存儲結構在往較小的幾何結構縮放的過程中都存在問題，部分是因為它們都是平面結構。新的基于電阻開關的存儲技術是金屬層結構，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品的唯一的存儲技術。

　　圖1：存儲器分類

　　引人注目的新存儲器包括：相變存儲器(PCM)、鐵電存儲器(FeRAM)、磁阻RAM(MRAM)、電阻RAM(RRAM或 ReRAM)、自旋轉移力矩RAM(STT-RAM)、導電橋RAM(CBRAM)、氧化物電阻存儲器(OxRAM)。

　　Rambus公司的杰出發明家和營銷方案副總裁Steven Woo說：“經典存儲架構中有一個需要填補的空白。這些新型存儲器中有一兩種會生存下來，可能是3D XPoint(英特爾和鎂光公司研發的PCM)、ReRAM、MRAM，也可能是其他的存儲器，我不知道。關鍵問題是哪種會脫穎而出。但這主要由在給定性能參數范圍內的數據輸入輸出確定。”

　　與性能直接相關的是功耗。 Adesto首席技術官Gideon Intrater說：“在給定功耗下的性能是一個非常重要的因素。在不同的應用中，存儲器的用途非常不同，而且需求也是變化的。沒有一個解決方案可以解決所有問題。”

　　那么，存儲器子系統消耗了多少能量? Sonics的首席技術官Drew Wingard說：“我們對于特定應用芯片的統計數據已經搜集完成，得到了計算系統的數據，即各個系統占功耗的百分比。這些數字往往包括內存子系統。當你一層層剝開其神秘面紗后，你會看到許多架構的存儲器功耗，存儲器功耗大約占總功耗的1/3至1/2。”

　　功耗和非易失性是FLASH存儲器吸引人的因素。Synopsys公司IP部門高級產品營銷經理Faisal Goriawalla說：“許多物聯網設備依賴能量采集器，所以客戶關注的是總功耗。設想一下，RFID標簽。這些無源標簽用于銷售終端，不是用電池供電，而是從讀取器的RF場獲取能量，因此功率約束非常嚴格。”

　　物聯網設備的另一個驅動力是成本。Cadence公司存儲器和存儲接口產品營銷部門總監Lou Tero表示：“如果把存儲器放在芯片上，就會刪除引腳，降低了系統的成本。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，則需要一個特殊過程，成本十分昂貴。如果把所有的存儲器都放在芯片裸片上，就會降低材料成本。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。”

　　計算總能量

　　存儲器消耗的總能量有幾個部分，所有都要仔細考慮。它們是：

　　存儲單元維護功率;

　　讀、寫和擦除功率;

　　接口功率;

　　架構的優化。

　　不同的應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單元自身相關。這可能包括漏電流、刷新電路、或維持狀態所需的有功電流。與許多存儲器相關的總能量也可能取決于它們的規模，因為增加位線的規模會增加驅動電路的功耗，或在每個周期必須刷新的數據量。

　　以DRAM為例。Tero說，“DRAM的成本競爭力雖然不理想，但它使用必須刷新的電容單元。當你增加密度，單元容量下降——多虧了物理學定律——你必須經常刷新。所以它們試圖變得更智能，包括諸如某些模式下的局部陣列自刷新技術，如果整個DRAM并不需要，那部分就不用自刷新。”

　　其他類型的存儲器，例如SRAM，擁有無源動力功率元件，這些元件只是為了維持它們的狀態。非易失性存儲器(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核心的電路，NVM有一個使用傳統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小，但是也有數字組件會產生柵漏。”

　　接下來是讀、寫和擦除存儲單元所需要的能量。這些成本中的幾個將與存儲技術相關。Goriawalla繼續說：“對于許多類型的FLASH存儲器，寫入電流往往高于讀取電流。相比之下，多時間可編程(MTP)NVM具有相當高的能效。它們的程序電流低50倍，讀取電流低10倍。 其原因是存儲電荷的機制。在MTP存儲器中，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能。”

　　另一個考慮是訪問機制。例如，許多Flash技術需要串行訪問。CEA-Leti的高級系統和集成電路架構師Michel Harrand表示：“利用一些新興的存儲技術，你可以隨機訪問它們，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。當你讀取一位時，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。它會在你要寫入的位數之間進行權衡。所以很難有確切的數字，因為它取決于你寫入以及讀取的位數。”

　　進出存儲器的數據必須通過某種總線傳輸。Tero說：“存儲器的大部分功耗與接口本身相關。在某些情況下，你面對的是難以改變的物理學規律。如果遵循這些標準，則I/O電壓會發生變化，以幫助緩解這種情況。原來1.5V的DDR3已經變成了1.2V的DDR4和1.1V的LPDDR4。 從動態功率的角度來看，電壓是關鍵組件，當你降低電壓時可以降低動態功耗。”

　　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：“系統功耗受到掩膜數量等因素的影響。與CMOS技術相比，嵌入式閃存需要12-14個額外的掩膜，并且可以增加25%的芯片裸片成本。”