ASIC和SoC設計中嵌入式存儲器的優(yōu)化

內(nèi)容尋址存儲器IP：

由于速度更快，能耗更低，且與用于執(zhí)行大量搜索任務的應用程序的算法途徑相比，占用芯片空間更小，因此這類IP大多作為TCAM（三進制）或BCAM（二進制）IP，用于搜索引擎類應用程序。通常情況下，搜索可在單個時鐘周期內(nèi)完成。TCAM和BCAM通常用于包轉(zhuǎn)發(fā)、以太網(wǎng)地址過濾、路由查詢、固件搜索、主機ID搜索、存儲器去耦合、目錄壓縮、包分類以及多路高速緩存控制器等。

單晶體管SRAM：

這種結構雖然速度有所下降，但密度極高，可用于180 nm，160 nm，152 nm，130 nm，110 nm，90 nm以及65 nm流程。尤其適用于需要大量片上存儲空間——大多大于256Kbit，但不需要極高的存取速度的ASIC/SoC程序，以及空間有限且存儲器塊存在泄露電流的設計。本結構可生成與SRAM工作原理相似的存儲器陣列，但其基礎為單晶體管/單電容（1T）存儲單元（如動態(tài)RAM所用）。

由于采用了6T存儲陣列，因此在相同的芯片空間上，單晶體管SRAM陣列的存儲能力更強，但需要在系統(tǒng)控制器和邏輯層面，了解存儲器的動態(tài)特性，并在刷新控制的提供上發(fā)揮積極作用。在某些情況下，為使其看起來像簡單易用的SRAM陣列，也可能對DRAM及其自身控制器進行集成。通過高密度1T宏塊與某些提供刷新信號的支持邏輯的整合，可使存儲單元的動態(tài)特性透明化，設計師可在實施ASIC和SoC解決方案時，將存儲器塊作為靜態(tài)RAM對待。

作為可獲得許可IP，1T SRAM可從晶圓代工廠獲得。但是，由于某些此類IP需要額外掩膜層（除標準CMOS層外），增加了晶圓成本，因而限制了晶圓代工廠的可選制造空間。為使額外的晶圓加工成本物有所值，芯片上采用的總DRAM陣列大小，通常必須大于50%的芯片空間。大部分可用DRAM宏均為硬宏單元，大小、長寬比以及接口的可選空間有限。

有一種單晶體管SRAM的特殊變體，采用了可通過標準批量CMOS流程制造的架構，因此，它既無需修改掩膜，也無需額外的流程步驟。此類IP宏塊具有更高的成本效益（流程成本可節(jié)省15-20%），并且可在任何工廠進行加工，也可出于成本或生產(chǎn)能力等原因，改換加工工廠。這種解決方案提供了多種尺寸、長寬比和接口，可逐一指定相應的存儲器編譯器。對于系統(tǒng)的其余部分來說，生成的存儲器塊接口看起來就像靜態(tài)RAM，但其密度（位/單元空間）是基于6T存儲單元的存儲器陣列的2倍（經(jīng)過對作為空間計算一部分的全部支持電路的平均）。對于大型存儲器陣列來說，支持電路所需全部空間所占百分比較小，存儲器塊的空間利用率也更高。

存儲器編譯器工具：

嵌入式存儲器編譯器的職責是，針對特定存儲器應用程序的確切需求，量身定做基本的IP存儲器宏單元。若適用范圍足夠廣，編譯器可允許設計師選擇最優(yōu)架構，自動生成存儲器陣列，并精確確定優(yōu)化程序所需的速度、密度、功率、成本、可靠性以及大小等因素。通過編譯器的自動化操作，可降低非經(jīng)常性工程成本，并可減少手動陣列優(yōu)化相關的潛在錯誤。編譯器不但可使客戶的內(nèi)核大小、接口以及長寬比均達到最理想數(shù)值，而且還可幫助他們最大限度地縮短上市時間。作為編譯流程的一部分，編譯器還可向設計師提供存儲器陣列的電氣、物理、仿真（Verilog）、BIST/DFT模型以及綜合視圖。


表2：嵌入式存儲器IP的商業(yè)案例。

結論

為新的ASIC/SOC選擇最優(yōu)嵌入式存儲器IP是設計決策的關鍵。設計師應了解適用于其特定應用程序的最佳存儲器特性的所有關鍵參數(shù)，其尋求的存儲器IP應具有足夠的適應性，可滿足目標SoC的各種需求。盡管有現(xiàn)成的免費存儲器IP可供使用，但與可為特定應用程序提供更好特性的收費IP相比，它并不能總是提供最佳解決方案。

經(jīng)過充分調(diào)試的存儲器IP具有體積小、泄露功率低、動態(tài)能耗低、速度快等特點，可使設計師的解決方案進一步優(yōu)化，不但可在產(chǎn)品的整個壽命周期內(nèi)，帶來上百萬美元的結余，而且也使其芯片在競爭激烈的ASIC/SOC市場上，得到更好的差異化。