適用于高密度、低功耗應用的新型存儲器

為了滿足用戶對手機更多服務的需求，服務提供商不斷推陳出新，促使僅具通話功能的傳統手機向同時具有語音和數據功能的新型手機轉換。向數據通信功能的轉變將直接影響手機中的硬件結構。目前，2.5G 和3G手機已經能夠提供更多的功能，諸如SMS(短信息服務)、MMS(多媒體信息服務)、圖象傳送、音頻/視頻流和因特網接入等。
隨著密度更高、能耗更低、吞吐量更大的存儲器的涌現，應用在手機上的存儲器也隨之變化。對數據處理容量需求的增大，使得現有的基帶控制器和存儲器難以滿足要求。除此之外，電池的使用壽命是移動電話當中的一個更為重要的問題。
對更大存儲容量、更小機身、更長電池壽命的需求不斷增強，促使手機中使用的易失性存儲器從傳統的SRAM向高密度、低功耗SRAM提升，進而再向更高密度、更快速度、更低功耗的1T存儲器演進。現今便攜式裝置中使用的SRAM將不能滿足下一代手機所需的大容量數據存儲。從傳統意義上說，1T存儲器被歸為DRAM一類，用作個人電腦的主內存。然而新型的低功耗結構(以及各種不同的低功耗模式)容許1T存儲器磁芯使用于對功耗要求更為敏感的實際應用中。因此，1T PSRAM正逐漸成為手機存儲器的理想選擇。

市場需求
手機通常需要兩種存儲器——易失性存儲器和非易失性存儲器(見圖1)。非易失性存儲器通常用于存儲手機操作的編碼，易失性存儲器則用于存儲手機操作中的數據。對這兩種存儲器的需求都在不斷變化，這種變化主要是由基帶部件需要更有效率的數據流而引起的。
手機通常把操作系統和應用軟件存儲于非易失性(閃存)存儲器中。操作手機時，編碼從閃存中提取出來并予以執行。在執行編碼時，SRAM存儲中間數據、寄存器棧等。由于手機數據化操作的發展趨勢日益增強，應用軟件的規模和復雜程度也不斷提升。這迫使手機不得不采用更大容量、更快速度的快閃內存以及更大容量的SRAM。對更大容量、更快速度存儲器的追求必然導致成本不斷增加。對此，一種解決辦法是使用廉價、慢速(與非)閃存和快速易失性存儲器。一種采用編碼映像技術的編碼在操作的開始階段從與非閃存中被加載到快速易失性存儲器，然后就由易失性存儲器予以執行。

更高密度需求
為支持所有的數據性能，對存儲器的密度需求急劇上升。PSRAM被用作某個工作區域存儲器或程序存儲器，負責進行編碼。由于全部存儲器的需求將超過那些能夠被嵌入到處理器/ASIC部件中的存儲器，因而不可能把所有的存儲器都集成到基帶ASIC芯片中。
隨著對存儲器密度和吞吐量需求的提高，也要求微功率存儲器具有更低的功耗。這些存儲器的工作電壓已從3.3V降低到了1.8V，從而有效降低了運行功率。由于移動電話經常處于待機狀態，因此有效降低待機功耗極為重要。與6T SRAM待機模式不同的是，PSRAM必須刷新才能保存數據，從而產生待機功耗。由于具有自我刷新設置，PSRAM能夠提供四種截然不同的方式來降低待機功耗：減小存儲器大小(RMS)、局部數組刷新(PAR)、自動溫控刷新以及深度休眠模式(/ZZ)。在RMS工作模式中，PSRAM就象一個縮小的SRAM在工作。譬如，64M的PSRAM能夠像16M或32M的存儲器一樣工作。用局部數組刷新模式，PSRAM將按照用戶的配置，僅僅刷新存儲器的某一部分。在深度休眠模式中，只要/ZZ保持低點，存儲器就能保持低功耗，但一旦/ZZ升高，PSRAM就回復到全址刷新模式。
DRAM的漏電在很大程度上取決于溫度。溫度越高，放電越快。刷新時，每塊電池都會按內部振蕩器電路設置的恒定速度進行充電。一些存儲器供應商會通過注冊表設定能適應極限溫度(通常為85℃)的刷新速度。因此，該器件常常消耗過多的功率。對于這些器件，處理器必須檢測存儲器的溫度并在注冊表里設定適宜的溫度限制。

更大的吞吐量
新一代手機，具有諸如音頻/視頻流和因特網接入等功能，從而要求在基帶處理器和存儲器間更快地進行數據傳輸。因此，在手機應用中，配備有快速頁面模式或脈沖接入功能的存儲器正日益取代傳統的異步接口。
在配有頁面和脈沖模式的存儲器里，使用相鄰存取會比隨機存取獲得更好的性能。頁面或脈沖的初始存取與傳統的異步裝置耗時相同，但隨后的存取則會快得多。
傳統蜂窩電話使用的易失性存儲器是工作速率為70ns的異步裝置。隨著時間的推移，速率提到55ns(見圖2)。更新的特性也要求更大的吞吐量與之適配，從而導致了對能夠提高吞吐量的頁面模式操作的需求。   
頁面模式操作容許基帶處理器能以高速緩沖存儲器讀入周期運行而無需把所有的地址都提取到易失性存儲器。頁面容量的大小取決于基帶控制器的容量大小，一般可在4~16個字之間變化。頁面周期通常約為25ns。
隨著對易失性存儲器要求的提高，同步操作應運而生。同步操作類似于閃存，它使存儲器中基帶控制器能以更快的周期運行并以流水線存取。同步操作的典型頻率為66MHz，該頻率容許基帶控制器每隔13ns從PSRAM讀取一次數據(見圖3)。
在多數情形下，同步操作相對于標準異步操作而言，能使性能大幅度提高。使用同步接口，使手機中的存儲器運行起來與PC中使用超高速緩沖存儲器非常相似，因而使數據傳送和編碼執行達到更高速率。大多數超高速緩沖存儲器的線路填充大小相同，從而實現總線的有效利用和重要性能的顯著提高(見圖4)。

解決方案
隨著時間的推移，用于手機的易失性存儲器的解決方案不斷變化。最初，手機使用的存儲器大多數都是慢速SRAM(約為70ns左右)。速度更高的PSRAM提供與標準SRAM相同的接口，但密度更高，價格更低。
PSRAM用同步接口改裝后，能用于2.5G和 3G的大吞吐量手機。CellularRAM PSRAM與6T (MoBL1, MoBL2)早一代異步或頁面模式PSRAM (MoBL3)反向兼容。提供同步脈沖性能的CellularRAM可從諸如Cypress、Infineon和Micron等供應商處獲得。
  CellularRAM容許基帶裝置使用現有的閃存接口，而無需更改。它所支持的脈沖協議能與低能耗閃存充分兼容，從而使存儲器控制器的設計相對簡化。同時，它還推動了所有的高級能量管理進一步增強。將多種特性相結合，對存儲和執行編碼非常有益。由于采用了實現存儲器陣列的高密度DRAM技術，使每比特成本比率大大低于現有的6T-SRAM解決方案。
存儲器改進的最后一步就是要改變為低功耗同步DRAM (LPSDRAM)。已經作為“日用品”普遍用作個人電腦主內存的SDRAM并不太關注其能量消耗的多少，它主要關注的是吞吐量。經重新設計，SDRAM能實現以更低的功耗處理更大的吞吐量，正日益為3G手機采用。■  (姚玉坤譯)