SRAM在新一代IoT和可穿戴嵌入式設計中的作用

　　上世紀90年代中期，英特爾決定把SRAM整合到自己的處理器中，這給世界各地的獨立式SRAM供應商帶來“滅頂之災”。最大的SRAM市場(PC高速緩存)一夜之間銷聲匿跡，只留下少數(shù)細分市場應用。SRAM的“高性能存儲器(訪問時間短、待機功耗小)”價值主張因其較高的價格和容量限制(目前的最高容量是288Mb)而高度受限。由于SRAM每個單元有四到六個晶體管，幾乎無法與DRAM和閃存競爭(這兩種存儲器每個單元只有1個晶體管);每個單元的晶體管數(shù)越少就意味著板容量和成本越低。因此，對構(gòu)成98%的市場總額的傳統(tǒng)存儲應用而言，SRAM是一種不切現(xiàn)實的解決方案。

　　自英特爾開始嵌入SRAM以來，大多數(shù)SRAM供應商已經(jīng)做出相應調(diào)整，或關(guān)閉工廠，或豐富SRAM之外的其它產(chǎn)品組合。對SRAM的運用則轉(zhuǎn)向要求高性能的專門應用，主要包括工業(yè)、汽車和國防領域。SRAM的整體市場在2002年到2013年間的年均復合增長率(CAGR)為-13%。然而，若認為這種技術(shù)已經(jīng)日薄西山還為時尚早。實際上，由于種種因素的作用，在未來幾年我們預計將會看到長期被冷落的SRAM東山再起。在本文中，我們將探討讓SRAM重獲新生的技術(shù)進步以及使之能夠滿足未來需求的SRAM技術(shù)發(fā)展趨勢。

　　SRAM回歸主流嵌入式設計

　　SRAM回歸主流設計的動力非常耐人尋味，力圖取代SRAM的潮流忽然發(fā)生逆轉(zhuǎn)。英特爾決定嵌入SRAM，這在當時是個非常英明的決策。SRAM不僅成本效益更高，而且還是技術(shù)一流的解決方案。與外部SRAM相比，嵌入式SRAM的存取時間更為出色，要知道對于高速緩存存儲器而言，存取時間是最關(guān)鍵的因素。

　　自那時起到現(xiàn)在，處理器功能變得更加強大，而且尺寸越來越小。隨著處理器的功能日漸強大，它們要求高速緩存存儲器性能也要有大幅改善。但與此同時，隨著每一代新工藝節(jié)點的問世，不斷增大嵌入式高速緩存存儲器的容量成為一項越來越艱巨的挑戰(zhàn)。SRAM擁有六晶體管架構(gòu)(邏輯區(qū)一般為四晶體管/單元)。這意味著隨著工藝節(jié)點的縮小，每平方厘米的晶體管數(shù)量將會極高。這樣的高晶體管容量可能導致許多問題，包括：

　　發(fā)生軟錯誤的幾率增大：隨著工藝技術(shù)從130nm縮小到22nm，軟錯誤率預計將增長七倍。

　　產(chǎn)量降低：由于晶體管容量增大，加上位單元不斷縮小，SRAM的面積更容易受工藝變化所造成的瑕疵的影響。這種瑕疵會降低處理器芯片的總產(chǎn)量。

　　功耗增加：如果SRAM位單元必須與邏輯位單元的大小相同，那么SRAM晶體管的尺寸就需要縮小到小于邏輯晶體管。而晶體管尺寸的縮小會導致漏電流增大，最終導致待機功耗增大。

　　有兩種途徑可以解決這個問題。一種方法是為處理器中或片上系統(tǒng)中的SRAM面積和邏輯面積采用不同的工藝技術(shù)節(jié)點。但這樣做的后果則是處理器的大部分面積由SRAM構(gòu)成。如果是這樣，縮小處理器芯片的理由就無法成立。另一種方法則是把SRAM與處理器或控制器分開。有一些技術(shù)創(chuàng)新實際上正在加快這種替代方案的實現(xiàn)。

　　可穿戴電子產(chǎn)品中的SRAM

　　當今世界的微控制器(MCU)已經(jīng)廣泛應用于各種設備中。我們現(xiàn)今正在經(jīng)歷一個重大電子產(chǎn)品發(fā)展趨勢，那就是可穿戴電子產(chǎn)品(圖1)。對于智能手表和健康腕帶這樣的可穿戴產(chǎn)品來說，尺寸和功耗是關(guān)鍵因素。由于電路板尺寸受限，MCU必須精簡小巧，并且能夠借助便攜式電池提供的微弱電力運行。

　　圖1：可穿戴電子產(chǎn)品的要求正在推動SRAM的復興

　　在上述要求下，片上高速緩存的容量相當有限。在將來的幾代產(chǎn)品中，我們預計會看到可穿戴產(chǎn)品的功能將得到進一步豐富。這樣一來，片上高速緩存的容量將不敷使用，從而帶來對外部高速緩存的需求。在所有可用的存儲器中，SRAM是用作外部高速緩存的最佳選擇。因為它與DRAM相比待機電流消耗較低，而且其存取時間也比DRAM和閃存更短。

　　但是，要裝配到微小的可穿戴產(chǎn)品電路板上，SRAM將需要進一步發(fā)展。對現(xiàn)有的并行SRAM而言，存在下列問題：

　　· 與MCU通信所需的引腳數(shù)過多;

　　· 尺寸過大，不適合PCB。

　　物聯(lián)網(wǎng)和SRAM

　　過去幾十年里，SRAM領域已衍生出兩個不同的產(chǎn)品線：高速率和低功耗。每個產(chǎn)品線都有著各自特有的功能、應用和價格。需要使用SRAM的設備要么需要它的高速特性，要么需要它的低功耗特性，但從來不是兩者兼具。然而，對采用便攜式電源供電并用以執(zhí)行復雜操作的高性能低功耗設備的需求正在不斷增長。這種需求背后的動力來自新一代醫(yī)療設備、手持設備、消費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)以及工業(yè)控制器，這些設備均受物聯(lián)網(wǎng)(IoT)驅(qū)動。

　　IoT正朝著兩個不同的方向發(fā)展：智能可穿戴產(chǎn)品和自動化技術(shù)。正如前文我們所討論的，可穿戴產(chǎn)品使用低功耗的小尺寸SRAM最為適合。同時，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展還會影響到工業(yè)、商業(yè)和大規(guī)模運營以及個人住宅、大型工廠乃至整個城市的自動化。SRAM采用小型封裝，能夠在降低功耗的同時保持高速性能，其將為IoT應用帶來重要價值。

　　許多主要廠商提供的微控制器通過諸如深度低功耗(Deep Power-Down)和深度休眠(Deep-Sleep)等特殊的低功耗模式，已經(jīng)能夠滿足對此類跨界設備的不斷變化的需求。在這些模式下，外設和存儲器模塊也有望節(jié)省功耗。因此，要成為IoT設計的優(yōu)先選擇，SRAM的發(fā)展必須能夠讓客戶不必在性能和功耗之間權(quán)衡取舍。

　　SRAM的發(fā)展如此之快，很明顯只要獨立式SRAM制造商能夠通過創(chuàng)新讓自己的產(chǎn)品滿足新一代應用需求，激動人心的時刻就在未來等待著他們。SRAM的主要創(chuàng)新領域包括：

　　 縮小芯片尺寸：這要求工藝技術(shù)的進步和封裝技術(shù)的創(chuàng)新;

　　 減少引腳數(shù)量：目前大多數(shù)SRAM使用并行接口。市場上的串行SRAM只有低容量產(chǎn)品。需要生產(chǎn)容量更高的串行SRAM;

　　 功耗更低的高性能芯片;

　　 片上軟錯誤校正。

　　在下面的章節(jié)中，我們將介紹SRAM設計的一些關(guān)鍵創(chuàng)新，這些設計創(chuàng)新促使嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員考慮把SRAM用于嵌入式可穿戴產(chǎn)品、IoT和其它嵌入式系統(tǒng)應用。

　　芯片級封裝

　　芯片級封裝(CSP)[4]是一種縮小芯片尺寸的強大技術(shù)。根據(jù)規(guī)格要求(J-STD-012)，要滿足“芯片級”要求，整體封裝部分的面積不能超過晶片面積的1.5倍，并且線性尺寸不能超過晶片尺寸的1.2倍。相比之下，對于采用標準封裝的晶片，整體芯片面積可以是晶片面積的十倍。因此芯片級封裝有助于縮小芯片的尺寸。另外通過壓縮工藝節(jié)點也可以實現(xiàn)類似的尺寸縮小。但就SRAM而言，轉(zhuǎn)而采用較小的工藝節(jié)點會帶來風險，具體在上文中已作解釋。

　　面積的縮小可通過取消第一級封裝來實現(xiàn)，其中包括引腳框架、管芯連接、焊線以及鑄模化合物。CSP芯片大多采用晶圓級封裝，將封裝材料直接堆放在晶圓片上。引腳分布類似于球柵陣列封裝(BGA)，封裝上的焊接凸點起引腳作用。通過縮小工藝節(jié)點可獲得類似的尺寸縮小效果。

　　對于可穿戴應用中空間有限的電路板來說，CSP SRAM明顯將是最佳選擇。與僅次于它的備選方案(購買一塊SRAM管芯，然后使用高級多芯片封裝(MCP)技術(shù)將它與MCU管芯封裝在一起)相比，將CSP SRAM納入設計要便捷得多。目前，CSP SRAM還沒有投入量產(chǎn)，有些供應商將其作為定制選項提供，可能是因為目標市場(可穿戴)還沒有超越嵌入式領域。不過在 SRAM 市場中，大多數(shù)主要廠商都可為他們的很多其它產(chǎn)品提供CSP選項。例如，賽普拉斯半導體已針對其PSoC等產(chǎn)品系列提供了CSP版本。因此，對于制造商來說，將這種功能延伸至SRAM應該不難。

　　引腳數(shù)更少

　　在SRAM的功耗低于閃存和DRAM時，使用SRAM進行存儲器擴展的主要問題是其并行接口。盡管并行接口能實現(xiàn)更快的讀寫速度，但有太多的IO需要連接。例如，如果將一個1Mb SRAM (64Kb x16) 與一個MCU連接，所需的IO數(shù)量將會是32個(16個地址，16個數(shù)據(jù))。進行多路復用可將該數(shù)字減少至24。但容量每增加一級(2M、4M、8M等)，引腳數(shù)就會增加1個。

　　極小可穿戴電路板上用來連接SRAM的IO數(shù)量有限，因為小型MCU的封裝引腳數(shù)量少。要與這些MCU連接，SRAM必須突破傳統(tǒng)的并行接口。串行閃存和EEPROM等的成功增強了串行存儲器選項的市場需求。MCU使用嵌入式高速緩存已有很多年了，因此對于串行SRAM的需求直到最近幾年才被發(fā)覺。串行SRAM可實現(xiàn)更便捷的接口連接，更少的引腳使用(單路SPI用兩個，雙路SPI用兩個，四路SPI用四個)。此外，所需的IO數(shù)量不會隨容量增加而增多。

　　目前，我們的串行SRAM容量低，存取速度相對較慢(存取時間達25ns，容量為1M)。在不久的將來，我們將有望刷新這兩個參數(shù)。隨著可穿戴產(chǎn)品進入全新時代，我們可能會希望MCU完成更為復雜的工作。在這種情況下，具有更高吞吐量的更高容量高速緩存/高速暫存存儲器會十分有用。因此，串行SRAM向更高速和更高容量的方向發(fā)展將對該市場十分有利。使用CSP封裝縮小尺寸再加上串行接口，SRAM將會成為可穿戴產(chǎn)品中高速緩存及高速暫存存儲器的強大選項。

　　高性能，低功耗

　　當前有兩個不同系列的異步SRAM：快速SRAM(支持高速存取)和低功耗SRAM(低功耗)。從技術(shù)角度看，這種權(quán)衡是合理的。在低功耗SRAM中，通過采用特殊柵誘導漏極泄漏(GIDL)控制技術(shù)控制待機電流來控制待機功耗。這些技術(shù)需要在上拉或下拉路徑中添加額外的晶體管，因此會加劇存取延遲，而且在此過程中會延長存取時間。在快速SRAM中，存取時間占首要地位，因此不能使用這些技術(shù)。此外，要減少傳播延遲，需要增大芯片尺寸。芯片尺寸增大會增大漏電流，從而增加整體待機功耗。

　　到目前位置，典型SRAM應用接受這種權(quán)衡：電池供電應用使用低功耗SRAM(降低性能)，有線工業(yè)高性能應用則使用快速SRAM。不過，對于物聯(lián)網(wǎng)及其它眾多高級應用來說，這種權(quán)衡不再適用。主要原因是對于大部分這些應用而言，不僅高性能很重要，同時還必須限制待機功耗，因為這些應用大多采用電池供電工作。非常幸運的是，SRAM正在縮小這兩個系列之間的性能差距，正逐漸發(fā)展成具有這兩種優(yōu)勢的單芯片產(chǎn)品。

　　微控制器很久以前就有了深度睡眠工作模式。這種工作模式有助于為大部分時間都處于待機狀態(tài)下的應用省電。該控制器可在正常工作中全速運行，但事后則進入低功耗模式，以便節(jié)省電源。使所連接的SRAM也具有類似的工作模式很重要。具有深度睡眠工作模式[5]的異步快速SRAM是這類應用的理想選擇。這種SRAM芯片有一個附加輸入引腳，有助于用戶在不同的工作模式(正常、待機和深度睡眠)間切換。因此可在不影響性能的情況下管理低功耗。http://www.cypress.com/?docID=48906。

　片上糾錯功能

　　存儲器工藝技術(shù)的提高可改進性能與功耗，因此更低的電壓和更小的節(jié)點電容會讓這些器件更容易出現(xiàn)軟錯誤。如今，CMOS 工藝已經(jīng)縮小了尺寸，地外輻射和芯片封裝都會導致越來越多的故障。一般使用糾錯碼(ECC)軟件或冗余(即多個SRAM存儲相同的數(shù)據(jù))方式應對軟錯誤，特別是在可靠性一直都極為重要的系統(tǒng)中，例如醫(yī)療、汽車和軍事系統(tǒng)。然而，這種方式非常昂貴，需要額外的電路板空間。

　　主要SRAM制造商現(xiàn)已開始直接在芯片上實施糾錯特性[6]。要在現(xiàn)代芯片級半導體存儲器上限制軟錯誤影響，可使用兩種架構(gòu)增強方法：片上ECC和位交錯。通過片上ECC，便可將用于實施錯誤檢測和單個位錯誤校正的軟件硬編碼在SRAM中。有些制造商甚至還提供一個額外的錯誤引腳選項，用以指出單個位錯誤的檢測與校正情況。

　　另一方便，位交錯可用來限制多位錯誤的影響(即單個能量粒子翻轉(zhuǎn)多個位)。位交錯的工作方式是將相鄰的位線安排至不同的字寄存器。這樣可將多位錯誤轉(zhuǎn)換為多個單個位錯誤，隨后可通過片上ECC進行校正(進一步了解如何減少和校正軟錯誤)。

　　SRAM與未來

　　SRAM技術(shù)將迎來激動人心的全新時代。技術(shù)趨勢與發(fā)展都有利于該技術(shù)回暖，扭轉(zhuǎn)多年來使用量下降的頹勢。支持ECC功能的芯片現(xiàn)已投入量產(chǎn)。支持片上電源管理的快速SRAM也已上市。此外，串行SRAM也已投入量產(chǎn)，但大多數(shù)都支持低容量應用，因此目前在速度上還無法與并行方案相匹敵。不過，串行市場的現(xiàn)有廠商(Microchip和On-semi)恰好主要都是MCU制造商。傳統(tǒng)SRAM公司尚未推出串行SRAM。隨著更多公司進入該市場，我們將有望看到創(chuàng)新技術(shù)的快速出現(xiàn)。

　　關(guān)于產(chǎn)品生命周期的傳統(tǒng)市場觀點是：產(chǎn)品成熟期過后就是衰退，然后是消亡。從SRAM每年的負復合增長率以及大多數(shù)供應商退出該市場的事實來看，該產(chǎn)品應劃為“衰退”期。然而不管是今天我們目睹的SRAM復興，還是針對未來預測的，都需要我們重新審視普通產(chǎn)品生命周期的傳統(tǒng)理念。

　　參考資料

　　1. 維基百科：半導體器件制造

　　2.《22nm工藝對SRAM內(nèi)中子引起的軟錯誤的影響》作者：Eishi Ibe、Hitoshi Taniguchi、Yasuo Yahagi、Ken-ichi、Shimbo和Tadanobu Toba

　　3.《漏電流：摩爾定律遇到靜態(tài)功耗》，摘自《IEEE 計算機》2009年1月刊

　　4. 應用手冊AN69601《賽普拉斯晶圓級芯片級封裝指南》

　　5. 應用手冊AN89371《賽普拉斯異步PowerSnooze SRAM幫助節(jié)省電源》

　　6. 應用手冊AN88889《用賽普拉斯異步SRAM減少單事件翻轉(zhuǎn)》

　　Reuben George在賽普拉斯半導體公司的存儲器產(chǎn)品部從事產(chǎn)品市場營銷工作。他在印度拉賈斯坦邦皮拉尼的貝拉理工學院 (BITS)獲得電氣電子工程學士學位。

　　Anirban Sengupta現(xiàn)任賽普拉斯半導體公司的定價經(jīng)理。他分別在印度國家技術(shù)學院(National Institute of Technology)和印度普納管理與人力資源開發(fā)合作關(guān)系中心(SCMHRD)獲得電氣工程學士學位和市場營銷MBA。