新的记忆和架构即将到来

内存在许多soc中占主导地位，很少听说一种设计包含太多内存。然而，内存消耗了系统功率的一个重要百分比，虽然这对许多系统来说可能不是一个关键问题，但对于物联网(物联网)边缘设备，其中总能耗是非常重要的。

几乎所有系统的内存需求都在变化。虽然新的内存和内存架构已经在绘图板上出现了很长一段时间，但采用仍然不广泛。然而，许多业内人士认为，临界点已经临近。

静态存储器而且动态随机存取记忆体在过去的50年里，它们一直是记忆层的主力，与闪光最近才加入进来。所有这些内存结构在较小的几何图形上都存在缩放问题，部分原因是它们都是表面级结构。新的存储技术，基于电阻开关，是金属层结构，这消除了许多制造问题。因此，虽然现在人们可能不愿意采用它们，但它们可能是唯一适合未来产品的存储技术。

图1:内存分类。来源:东航Leti

备受关注的新存储器包括相变存储器(PCM)、铁电存储器(FeRAM)、磁阻存储器(MRAM)、电阻存储器(RRAM或ReRAM)、自旋传递扭矩RAM (STT-RAM)、导电桥接RAM (CBRAM)和基于氧化物的电阻存储器(OxRAM)。

“在经典的内存架构中，有一个空白需要填补，”Steven Woo说，他是杰出的发明家和at的营销解决方案副总裁Rambus．“将会有一到两种存储器存活下来，无论是3D XPoint(英特尔和美光的PCM)，还是ReRAM或MRAM，或者其他一些存储器，我们不知道。最大的问题是哪一种会起飞。但这主要是关于在性能参数范围内快速移动数据。”

与性能直接相关的是功率。“给定条件下的表现电力消耗是非常重要的因素，”Adesto的首席技术官吉迪恩·Intrater说。“在不同的应用程序中，内存被用于非常不同的用途，需求也在变化。没有一个解决方案能解决所有问题。”

那么内存子系统消耗了多少能量呢?的首席技术官说:“已经收集了来自特定应用的芯片统计数据，它们为计算系统提供了数据，因为它们占用了X %的能量。超音速．“这些数字往往包括内存子系统。当你剥开层层，你会看到内存功率，对于许多架构来说，内存功率可能占总能量的三分之一到一半。”

权力和non-volatility是flash吸引人的因素。“许多物联网设备依赖于能量收集，所以客户关心的是总功耗，”Faisal Goriawalla说，他是华为IP组的高级员工产品营销经理Synopsys对此．“考虑RFID标签。这些无源标签用于销售点终端，不由电池供电，而是从阅读器的射频场获得电力，因此有非常严格的功率限制。”

物联网设备的另一个驱动力是成本。“如果你把内存放在芯片上，你就去掉了引脚，这就降低了系统的成本，”at公司内存和存储接口IP的产品营销组总监Lou Ternullo说节奏．“另一方面是硅面积增加。它是典型的SRAM。但如果你需要嵌入式闪存功能，那就需要一个特殊的过程，这是更昂贵的。如果你把所有的内存都放在模具上，你就可以降低材料成本。但如果你需要的密度超过了芯片的容量，那么你就必须放弃芯片。”

计算总能量
内存消耗的总能量有几个组成部分，所有这些都必须考虑。这些包括:

•存储单元维护电源;
•读写和擦除功能;
•接口电源和
•架构优化。

不同的应用程序可能会以不同的方式平衡这些属性，以及持久性和性能等其他属性。

有一个与存储单元本身相关的能量成本。这可能包括漏电流、刷新电路或维持状态所必需的有源电流。与许多存储器相关的总能量也可能取决于它们的大小，因为增加位线的大小会增加驱动器电路消耗的功率或在每个周期中必须刷新的数据量。

考虑DRAM。“DRAM具有成本竞争力，尽管不是理想的，”Ternullo说。“它使用电容电池，必须进行刷新。随着密度的增加，电池的电容就会下降，而且根据物理定律，你必须更频繁地刷新。因此，他们正在努力变得更加智能，包括部分阵列自刷新等技术，在某些模式下，如果不需要整个DRAM，则该部分将不会得到刷新。”

其他内存类型，如SRAM，可以有一个重要的被动和动态电源组件来维持它们的状态。虽然非易失性内存(NVM)可能具有零保留电流，但您不能忘记周围的逻辑。Goriawalla说:“泄漏可能来自环绕记忆核的电路。”“NVMs使用传统CMOS器件具有大型模拟组件。这些都是较大的设备，因此栅极泄漏相当小，但有一个数字组件，这些确实会泄漏。”

然后是读取、写入和可能擦除内存位置所需的能量。其中一些成本将与内存技术有关。“对于许多类型的闪存，写电流往往高于读电流，”Goriawalla继续说道。“相比之下，多时间可编程(MTP) NVM相当节能。程序电流低50倍，读取电流低10倍。原因在于储存电荷的机制。在MTP存储器中，您使用的是Fowler-Nordheim (FN)电子隧道，与嵌入式闪存使用的热载流子电子注入相比，它更节能。”

另一个需要考虑的问题是访问机制。例如，许多闪存技术需要串行访问。CEA-Leti的高级系统和集成电路架构师米歇尔•哈兰德(Michel Harrand)表示:“使用一些新兴的存储技术，你可以随机访问它们，而不需要连续访问。”“你需要一些功率来写一点，可能是10微安，这比DRAM略高，但DRAM具有破坏性读取。当你读一点的时候，你要读完整的文字线，然后你必须重写它。新兴的nvm可以节省一些电力，即使它们需要更多的电力来写一些东西。它们不需要刷新。这是你要写多少比特的权衡。所以很难得到确切的数字，因为这取决于你写了多少位，读了多少位。”

存取内存的数据必须通过某种总线传输。“内存的大部分功能都与接口本身有关，”Ternullo说。“在某些情况下，你要面对的是难以改变的物理定律。如果您遵循标准，I/O电压的变化有助于缓解这种情况。DDR3为1.5V, DDR4为1.2V, LPDDR4为1.1V。从动态功率的角度来看，电压是一个关键组件，当你降低电压时，动态功率就会降低。”

另一种降低接口成本的方法是在芯片上集成，但DRAM无法嵌入，缩放闪存变得越来越困难。“系统成本受到口罩数量等因素的影响，”戈里瓦拉说。“嵌入式闪光灯需要12-14个额外的遮罩互补金属氧化物半导体这种技术会增加25%的模具成本。”

还有其他因素也会影响总内存功率，比如系统的架构。高速缓存的设计目的是通过在芯片上放置少量快速、耗电的内存来减少访问时间，并且只有当所需的信息不在高速缓存中时才需要访问外部内存。这减少了与访问外部存储器相关的时间和精力。如果可以在缓存中存储足够的数据，那么接口功率就可以最小化。

但SRAM耗电量很大，因此物联网系统希望减少对它的依赖。然而，许多闪存设备，尤其是芯片外闪存，需要大量的SRAM。Intrater说:“每当处理器需要一段不在缓存中的程序时，处理器就会从外部内存中获取必要的程序，然后继续。”你希望程序的大部分都在缓存中。Flash成为内存层级的一部分。”

但这种情况正在改变。“有一种叫做就地执行(XIP)的功能，你可以使用串行NOR闪存，就像芯片外存储器一样。处理器可以像存储设备一样直接访问串行NOR闪存上的数据。”

影响性能的另一个因素是读写的大小。在使用DDR时，不是一次读取单个字节或单词，而是可能一次读取512或1024个字节。这取决于应用程序，这是对能量的良好利用，还是不需要读取额外的字节，从而造成浪费。在这个例子中，性能一直是驱动问题，对于许多系统来说，这可能是一种昂贵的电力权衡。

nand型闪存也存在类似的问题，它不能写入单个位置，而是需要先擦除一块内存，然后再重写。这意味着有一个与小的写相关的能力惩罚。一个SRAM缓存，即使它消耗更多的电力，延迟写入，并可能最终提供节能。

对于许多系统来说，现有的内存技术可能过于耗电。Goriawalla说:“对于使用电源清除的系统，它们通常要求写入电流小于5µa，读取电流为几µa /MHz。”“这与最小Vdd为0.7~0.9V相结合。所以我们讨论的是微小的系统功率需求。这些数字比大多数嵌入式闪存技术低一个数量级。”

其他的考虑
同样，成本有很多方面，其中一些已经讨论过了。功耗对成本有直接影响，但其他因素包括引脚数量、封装、片上成本或与集成到板上相关的成本。

Intrater说:“较小的系统倾向于在相同的芯片上嵌入闪存。“但这也有局限性。我们看到系统想要迁移到28nm，但在这个工艺节点上没有嵌入式闪存。闪存落后于标准CMOS工艺。如果您可以使用嵌入式闪存，那么这始终是最好的解决方案，但在许多情况下，由于成本原因，或者系统的其余部分需要在更积极的进程节点上，您无法这样做。然后，您需要恢复到使用外部内存，并开始遇到性能和功耗问题。两者之间的连接需要有合适的特性来提供足够的性能，而它会消耗更多的能量。”

使用新的内存类型，这个决定变得容易得多。哈兰德说:“在同一个芯片上同时拥有闪存进程和逻辑越来越难了。”“新的内存更友好，一切都在生产过程的后端。这意味着你可以在逻辑过程中使用完全相同的晶体管，这使得它更容易嵌入逻辑或处理器。在28nm工艺下，制造嵌入式闪存工艺变得非常困难，因此有机会用这些新的存储器取代嵌入式闪存。”

许多互连架构都针对现有的内存类型进行了优化。“DDR接口不太适合NVM，”Harrand说。“使用DDR，您首先声明要寻址的行或页，然后声明是否要进行读或写。这对新兴的nvm来说并不好，因为你必须在一开始就知道你是想读还是写。”哈兰德说，有一些方法可以克服这一限制，但会降低性能。

另一个障碍是接受新的权衡。Harrand继续说道:“今天，你可以拥有DRAM的速度，同时拥有足够的耐力，但却没有足够的密度，但你同时拥有速度和耐力。“将会有一些优化到接近DRAM，并具有完全的保留率，或者只有几天的保留率，但不是10年，或者你会有一些优化了保留率，但它们没有速度。”

目前还不清楚哪一种新存储器会在何时以及首先打破这种障碍，但微控制器已经出现了嵌入这些新存储器的芯片。随着数量的增加，成本将会下降，这将加速应用。不久之后，许多物联网系统将别无选择，只能将其纳入其中，特别是如果他们想利用更新的制造技术节点。

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