適用于高密度、低功耗應(yīng)用的新型存儲器

為了滿足用戶對手機(jī)更多服務(wù)的需求，服務(wù)提供商不斷推陳出新，促使僅具通話功能的傳統(tǒng)手機(jī)向同時(shí)具有語音和數(shù)據(jù)功能的新型手機(jī)轉(zhuǎn)換。向數(shù)據(jù)通信功能的轉(zhuǎn)變將直接影響手機(jī)中的硬件結(jié)構(gòu)。目前，2.5G 和3G手機(jī)已經(jīng)能夠提供更多的功能，諸如SMS(短信息服務(wù))、MMS(多媒體信息服務(wù))、圖象傳送、音頻/視頻流和因特網(wǎng)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(xiàn)，應(yīng)用在手機(jī)上的存儲器也隨之變化。對數(shù)據(jù)處理容量需求的增大，使得現(xiàn)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(dāng)中的一個(gè)更為重要的問題。
對更大存儲容量、更小機(jī)身、更長電池壽命的需求不斷增強(qiáng)，促使手機(jī)中使用的易失性存儲器從傳統(tǒng)的SRAM向高密度、低功耗SRAM提升，進(jìn)而再向更高密度、更快速度、更低功耗的1T存儲器演進(jìn)?，F(xiàn)今便攜式裝置中使用的SRAM將不能滿足下一代手機(jī)所需的大容量數(shù)據(jù)存儲。從傳統(tǒng)意義上說，1T存儲器被歸為DRAM一類，用作個(gè)人電腦的主內(nèi)存。然而新型的低功耗結(jié)構(gòu)(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(shí)際應(yīng)用中。因此，1T PSRAM正逐漸成為手機(jī)存儲器的理想選擇。

市場需求
手機(jī)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(jī)操作的編碼，易失性存儲器則用于存儲手機(jī)操作中的數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)流而引起的。
手機(jī)通常把操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件存儲于非易失性(閃存)存儲器中。操作手機(jī)時(shí)，編碼從閃存中提取出來并予以執(zhí)行。在執(zhí)行編碼時(shí)，SRAM存儲中間數(shù)據(jù)、寄存器棧等。由于手機(jī)數(shù)據(jù)化操作的發(fā)展趨勢日益增強(qiáng)，應(yīng)用軟件的規(guī)模和復(fù)雜程度也不斷提升。這迫使手機(jī)不得不采用更大容量、更快速度的快閃內(nèi)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(dǎo)致成本不斷增加。對此，一種解決辦法是使用廉價(jià)、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(shù)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(zhí)行。

更高密度需求
為支持所有的數(shù)據(jù)性能，對存儲器的密度需求急劇上升。PSRAM被用作某個(gè)工作區(qū)域存儲器或程序存儲器，負(fù)責(zé)進(jìn)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(yùn)行功率。由于移動電話經(jīng)常處于待機(jī)狀態(tài)，因此有效降低待機(jī)功耗極為重要。與6T SRAM待機(jī)模式不同的是，PSRAM必須刷新才能保存數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生待機(jī)功耗。由于具有自我刷新設(shè)置，PSRAM能夠提供四種截然不同的方式來降低待機(jī)功耗：減小存儲器大小(RMS)、局部數(shù)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(gè)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(shù)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(diǎn)，存儲器就能保持低功耗，但一旦/ZZ升高，PSRAM就回復(fù)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(shí)，每塊電池都會按內(nèi)部振蕩器電路設(shè)置的恒定速度進(jìn)行充電。一些存儲器供應(yīng)商會通過注冊表設(shè)定能適應(yīng)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(shè)定適宜的溫度限制。

更大的吞吐量
新一代手機(jī)，具有諸如音頻/視頻流和因特網(wǎng)接入等功能，從而要求在基帶處理器和存儲器間更快地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此，在手機(jī)應(yīng)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(tǒng)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(jī)存取獲得更好的性能。頁面或脈沖的初始存取與傳統(tǒng)的異步裝置耗時(shí)相同，但隨后的存取則會快得多。
傳統(tǒng)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(shí)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(dǎo)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(yùn)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(gè)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(yīng)運(yùn)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(yùn)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(shù)據(jù)(見圖3)。
在多數(shù)情形下，同步操作相對于標(biāo)準(zhǔn)異步操作而言，能使性能大幅度提高。使用同步接口，使手機(jī)中的存儲器運(yùn)行起來與PC中使用超高速緩沖存儲器非常相似，因而使數(shù)據(jù)傳送和編碼執(zhí)行達(dá)到更高速率。大多數(shù)超高速緩沖存儲器的線路填充大小相同，從而實(shí)現(xiàn)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(shí)間的推移，用于手機(jī)的易失性存儲器的解決方案不斷變化。最初，手機(jī)使用的存儲器大多數(shù)都是慢速SRAM(約為70ns左右)。速度更高的PSRAM提供與標(biāo)準(zhǔn)SRAM相同的接口，但密度更高，價(jià)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(jī)。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(yīng)商處獲得。
  CellularRAM容許基帶裝置使用現(xiàn)有的閃存接口，而無需更改。它所支持的脈沖協(xié)議能與低能耗閃存充分兼容，從而使存儲器控制器的設(shè)計(jì)相對簡化。同時(shí)，它還推動了所有的高級能量管理進(jìn)一步增強(qiáng)。將多種特性相結(jié)合，對存儲和執(zhí)行編碼非常有益。由于采用了實(shí)現(xiàn)存儲器陣列的高密度DRAM技術(shù)，使每比特成本比率大大低于現(xiàn)有的6T-SRAM解決方案。
存儲器改進(jìn)的最后一步就是要改變?yōu)榈凸耐紻RAM (LPSDRAM)。已經(jīng)作為“日用品”普遍用作個(gè)人電腦主內(nèi)存的SDRAM并不太關(guān)注其能量消耗的多少，它主要關(guān)注的是吞吐量。經(jīng)重新設(shè)計(jì)，SDRAM能實(shí)現(xiàn)以更低的功耗處理更大的吞吐量，正日益為3G手機(jī)采用。■  (姚玉坤譯)