談到設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器時(shí)，沒有哪種規(guī)格適合所有人,。而且，考慮到大量的內(nèi)存類型和使用場景，系統(tǒng)架構(gòu)師必須非常清楚他們的應(yīng)用的系統(tǒng)需求。

首先需要決定的是,，是將存儲(chǔ)器置于邏輯芯片上，作為SoC的一部分,，還是將其作為片外存儲(chǔ)器。

eSilicon公司業(yè)務(wù)和企業(yè)發(fā)展副總裁Patrick Soheili表示：“延遲和吞吐量的折中至關(guān)重要,，而且功耗成本巨大,。每次你從一個(gè)平面移動(dòng)到另一個(gè)平面時(shí)，它的系數(shù)是100X,。這也適用于片上存儲(chǔ)器vs片外存儲(chǔ)器,。如果你能挨個(gè)芯片地把它連在一起，那就最好了,?！?/p>

出于上述原因和其他原因，芯片制造商的第一選擇是在邏輯芯片上放置大量的RAM或flash,。但在大多數(shù)情況下,，這還不夠。即使是過去被定義為帶有片上存儲(chǔ)器的處理單元的微控制器,，也已經(jīng)開始為高端應(yīng)用添加片外輔助存儲(chǔ)器,。

Cadence公司DDR、HBM,、flash/storage和MIPI IP的產(chǎn)品營銷總監(jiān)Marc Greenberg表示：“如果邏輯芯片上的存儲(chǔ)器大小超過了可以較低價(jià)格生產(chǎn)的界限,，使用片外存儲(chǔ)器顯然會(huì)是更好的選擇。多個(gè)制造商都有基于SPI（串行外設(shè)接口）總線的一系列低成本,、低功耗的存儲(chǔ)器,，包括汽車速度等級(jí)的存儲(chǔ)器。SPI總線正在提高速度并增加寬度?！?/p>

事實(shí)上,，Cadence看到了很多對(duì)200MHz的Octal-SPI IP接口的需求——包括控制器和PHY芯片。

為了更好地理解人們?nèi)绾慰创嚮蚱渌麘?yīng)用中存儲(chǔ)器的功耗設(shè)計(jì),，我們不妨后退一步,，試著去了解存儲(chǔ)器的速度和功耗同整體帶寬的關(guān)系。Synopsys公司DesignWare Analog和MSIP解決方案事業(yè)部高級(jí)市場總監(jiān)Navraj Nandra表示：“在應(yīng)用需求方面,，當(dāng)人們?cè)谔嵘⑻幚砥?CPU性能時(shí)需要同步提升存儲(chǔ)器容量和存儲(chǔ)器帶寬,。但即使這是應(yīng)用所要求的，你也很難二者同時(shí)兼得,?！?/p>

存儲(chǔ)器中需要在帶寬、延遲,、功耗,、容量和成本之間找到平衡點(diǎn)。Nandra表示,，工程師有時(shí)會(huì)忘記成本部分,，但是它推動(dòng)了很多決策點(diǎn)。 

必須考慮存儲(chǔ)器的容量和速度,，每種存儲(chǔ)器都有不同的折中,。如果應(yīng)用是由速度或吉比特每秒的帶寬驅(qū)動(dòng)的，那么HBM可能是一種方法,，因?yàn)樗菵DR存儲(chǔ)器的帶寬要高得多,。如果應(yīng)用以容量問題為主，例如存儲(chǔ)器接口可容納多少GB的存儲(chǔ)空間,，那么DDR可能是更好的選擇,。

Nandra表示：“DDR提供容量，HBM提供帶寬,。如果問題是關(guān)于功耗的問題,，那么低功耗DDR比HBM或GDDR更好。使用GDDR或HBM可以獲得更高的性能,。使用DDR和LPDDR可以省電,。”

嵌入式存儲(chǔ)器

如果存儲(chǔ)器作為SoC的一部分,，那么則需要在架構(gòu)上多加考慮,。

ARM公司的研究員Rob Aitken表示：“如果你考慮泄漏功耗，例如,，SRAM的泄漏主要是位單元,。外圍也有所貢獻(xiàn),，但你可以在設(shè)計(jì)過程中忽略它。如果你有一定數(shù)量的位單元,，就會(huì)有一定的泄漏,，所以你必須從那一點(diǎn)開始并解決它。有一些電路設(shè)計(jì)技巧可以讓你擺脫其中的一些問題,，這通常是以犧牲性能為代價(jià)的,，而這往往這取決于你有多大的決心，,。其中一些包括對(duì)各種描述進(jìn)行有效的偏置或功率控制,，以及上述方法組合使用，以此來減少泄漏功耗,?！?/p>

在這一點(diǎn)上，很重要的一點(diǎn)是要理解,，如果需要一定數(shù)量的位,，并且存在這么大的泄漏，系統(tǒng)架構(gòu)師必須找出哪些配置最適合他們的各種存儲(chǔ)器,。Aitken表示：“考慮的因素包括位線長度等,。一般來說，位線越短,，存儲(chǔ)器越快,。這是因?yàn)镾RAM讀取的工作方式，本質(zhì)上,，單個(gè)位單元必須釋放位線，當(dāng)它釋放的電荷足夠時(shí),，讀出放大器會(huì)觸發(fā),，并說，‘哦,，這里有一個(gè)信號(hào),。’因此,，需要釋放的位線越多,，所需要的轉(zhuǎn)換時(shí)間就越長?！?/p>

幸運(yùn)的是,，對(duì)于任何給定的內(nèi)存配置，我們可以在一系列可能性中做出選擇,。

Aitken解釋說：“我可以擁有很多短位線或少量較長位線的存儲(chǔ)器,，而這些字?jǐn)?shù)和位數(shù)仍然完全相同。這就是這些列在存儲(chǔ)器中的排列方式。所以這個(gè)架構(gòu)層次可以實(shí)現(xiàn),，存儲(chǔ)器生成器器可以讓你做到這一點(diǎn),。你可以邊玩邊說，‘我希望使用8列多路復(fù)用器’,，即8位線到每個(gè)輸出位,，因?yàn)樗峁┝怂俣群凸牡牧己闷胶狻,；蛘吣憧梢哉f,，這實(shí)際上比你需要的速度快，所以你可以使用4列多路復(fù)用器,，因?yàn)樗峁┝烁玫墓暮土己玫乃俣?。作為一名SoC架構(gòu)師，你會(huì)經(jīng)歷這種實(shí)驗(yàn),，看看最佳實(shí)現(xiàn)方式是什么,，而且它們也會(huì)以不同的形式融入到平面布置圖中，因?yàn)槠渲幸恍└蛘叫?，有些更偏向矩形,。?/p>

成本很重要

雖然功耗在一段時(shí)間內(nèi)主導(dǎo)了許多設(shè)計(jì)決策,，但成本是這個(gè)等式中的另一個(gè)關(guān)鍵因素,。

Aitken表示：“從存儲(chǔ)器的角度看，你在考慮是否想要更多的面積,，這相當(dāng)于更高的成本,。有一些二階折中方案對(duì)于大容量存儲(chǔ)器很重要，比如位單元面積與外圍面積的比例,。一旦你選擇了一個(gè)比值,，位單元區(qū)域就基本上固定了。但是它的周邊區(qū)域可以變得更大或更小,，這通常會(huì)使它更快或功耗更低,。當(dāng)你這樣做的時(shí)候，是否會(huì)給SoC增加成本,，取決于你有多少個(gè)給定的對(duì)象,。通常，當(dāng)你觀察SoC時(shí),，有幾個(gè)非常大的對(duì)象支配該區(qū)域,，因此周邊區(qū)域或性能的小改動(dòng)會(huì)對(duì)這些對(duì)象產(chǎn)生巨大的影響。有很多對(duì)象并不重要,，即使它們的大小翻倍,，也沒有人會(huì)注意到,。其次，還有另一類型通常是體系結(jié)構(gòu)中的較小但很重要對(duì)象,，這些對(duì)象具有某種最終性能要求,、或超低電壓、或芯片的某些重要方面,。在這些情況下,，面積和成本通常不那么重要，更重要的是它需要符合速度標(biāo)準(zhǔn),、或泄漏功耗標(biāo)準(zhǔn),、或任何其他主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)?！?/p>

汽車市場的優(yōu)先考慮因素

這在汽車市場尤其重要,，因?yàn)槌杀臼菦Q定使用哪些組件的關(guān)鍵因素。

Rambus公司產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān)Frank Ferro表示：“功耗很重要,，但在其他一些市場上,，它并沒有成為一個(gè)超級(jí)關(guān)鍵因素。功耗對(duì)每個(gè)人來說都很重要,，但汽車系統(tǒng)實(shí)際上是成本與帶寬之間的折中,。如果我必須對(duì)它們進(jìn)行排名，我會(huì)說性能和價(jià)格不分上下,，而功耗則遠(yuǎn)不及前兩者重要,。”

汽車是當(dāng)今芯片設(shè)計(jì)的熱門市場之一,。對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車而言,，正在汽車中部署的傳感器的數(shù)量正在迅速增加，而對(duì)于一輛汽車來說,，要做到不同程度的駕駛員輔助功能,，需要把多個(gè)傳感器獲得的數(shù)據(jù)輸入到復(fù)雜的邏輯電路中加以處理。由于需要處理的數(shù)據(jù)量很大,，因此在使用視覺和雷達(dá)的情況下，這些數(shù)據(jù)將通過傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸,。

Ferro表示：“芯片制造商正在研究能夠處理高于100 Gbps或更高帶寬的存儲(chǔ)器系統(tǒng),，這樣可以適用于不同級(jí)別的駕駛輔助汽車，并最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛汽車,。為了做到這一點(diǎn),，存儲(chǔ)器選擇的數(shù)量開始縮減，以便為你提供必要的帶寬來處理所有即將進(jìn)入的數(shù)據(jù),?！?/p>

Ferro表示：“早期的ADAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括DDR4和LPDDR4,，因?yàn)檫@些是當(dāng)時(shí)可用的。兩者都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),。DDR4顯然是最便宜的選擇,，而且應(yīng)用在產(chǎn)量最高的產(chǎn)品中。它們當(dāng)然非常劃算,，而且工程師非常熟悉它們,。在DDR4上進(jìn)行錯(cuò)誤校正更簡單，也更容易理解,。當(dāng)然LPDDR4也是一個(gè)可以使用的選項(xiàng),。”

展望未來,，F(xiàn)erro希望各種類型的存儲(chǔ)器能夠共存于不同的系統(tǒng)中,。“如果他們偏重成本導(dǎo)向,，那么他們將會(huì)關(guān)注DDR,，甚至是LPDDR4。但如果他們偏重帶寬導(dǎo)向,，那么他們將會(huì)關(guān)注像HBM或GDDR之類的東西,。這實(shí)際上是你在架構(gòu)設(shè)計(jì)階段中所做的事情。有不同的ADAS級(jí)別以及系統(tǒng)和時(shí)間表所需的級(jí)別,，因?yàn)槌鲐洉r(shí)間很重要,。如果你今年有一個(gè)系統(tǒng)出貨，它的解決方案將會(huì)不同于明年或后年開發(fā)的系統(tǒng),。這些就是我們?cè)谏鲜袝r(shí)間和成本上所需要考慮的事情,。”

其次,，在高性能方面,，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度來看，帶寬與功率的折中是關(guān)鍵挑戰(zhàn),。Ferro表示：“如何以合理的功耗和面積預(yù)算獲得更大的帶寬,？例如，如果你擁有HBM,，從功耗和面積的角度來看,，它非常高效，因?yàn)樗褂?D堆疊技術(shù),，所以從功率效率的角度來看,，HBM非常棒。從面積的角度看,，HBM堆疊占用了相對(duì)較小的空間,，因此從功耗性能角度來看,，這是一個(gè)非常好的解決方案。你可以獲得很高的密度,，你可以在一個(gè)小面積內(nèi)獲得強(qiáng)大的性能,，而且功耗很低?！?/p>

其他人對(duì)此表示同意,。三星公司HBM產(chǎn)品營銷經(jīng)理Tien Shiah表示：“GDDR在GPU上比DRAM快，但HBM沒有比較過,。HBM是使用微孔柵格陣列的最快存儲(chǔ)器形式,。您可以擁有4個(gè)或8個(gè)高堆疊，它可以提供1024個(gè)I/O,，超過8個(gè)通道,，每個(gè)通道128位。這是標(biāo)準(zhǔn)顯卡的I/O總線寬度的四倍,。每個(gè)引腳可以達(dá)到2Gbps,，在1.2V時(shí)可達(dá)到2.4Gbps?！?/p>

圖1：三星的HBM2 DRAM 5  （來源：三星）

外部存儲(chǔ)器的吞吐量非常高,。但在這里，主要需要權(quán)衡各種開銷,。

Ferro表示：“你將為HBM付出更多的錢,，所以如果你能承擔(dān)高成本，這是一個(gè)很好的解決方案,。如果你無法承受高成本,，那么其他公司正在考慮的是，他們能在一塊電路上擠進(jìn)多少DDR或LPDDR,，并將它們并排放置,，試圖用更傳統(tǒng)的解決方案來逼近某些HBM的性能?！?/p>

看懂存儲(chǔ)器

由于存儲(chǔ)器市場服務(wù)有許多不同的應(yīng)用,，所以在設(shè)計(jì)中清楚地了解如何合理的使用存儲(chǔ)器是很困難的。了解各種可選方案將對(duì)此有所幫助,。

西門子公司Mentor事業(yè)部的IP部門的董事總經(jīng)理Farzad Zarrinfar表示：“基本上,，你可以觀察自己的芯片，然后設(shè)想它可以用于幾個(gè)關(guān)鍵的垂直市場,。一些垂直市場可能是智能手機(jī)、高性能計(jì)算,、汽車,、物聯(lián)網(wǎng),、虛擬現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)等等,。你會(huì)發(fā)現(xiàn)芯片技術(shù)是不同的,。沒有一種芯片技術(shù)能解決所有問題。例如,，物聯(lián)網(wǎng)對(duì)功耗和成本敏感,，人們可以利用超低功耗的40nm或28nm的工藝，如ULP或HPC+,。這對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)來說非常合適,。而在汽車行業(yè)，使用28nm及以下工藝生產(chǎn)的芯片需求量很大,?！?/p>

內(nèi)存綜合器（Memory Compiler）的選擇是另一個(gè)難題，大多數(shù)存儲(chǔ)器提供商都為它們的存儲(chǔ)器產(chǎn)品提供綜合器,。Zarrinfar表示：“智能綜合器可以幫助提供解決方案,，因?yàn)樗梢愿鶕?jù)不同的需求進(jìn)行優(yōu)化。例如,，某些應(yīng)用可能需要超低動(dòng)態(tài)功耗,，而汽車則有自己的要求，而且我們?cè)谶@里唯一的不變就是變化,。行業(yè)正在發(fā)展,。對(duì)于安全性，溫度等級(jí)以及其他一些考慮事項(xiàng),，有著非常明確的要求,。”

所有這些需求都會(huì)影響存儲(chǔ)器設(shè)計(jì),，而這正是工程團(tuán)隊(duì)需要考慮的,。

Zarrinfar表示：“當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)存儲(chǔ)器的時(shí)候，我們有特定的目標(biāo),，可能是+125℃或+150℃的環(huán)境,，這可以轉(zhuǎn)化為結(jié)溫。我們有基于目標(biāo)市場的市場需求文檔,。然后我們知道我們需要什么樣的設(shè)計(jì),。然后你需要有來自半導(dǎo)體代工的模型，規(guī)定我們擁有的模型的范圍,。汽車溫度迫使半導(dǎo)體代工廠增加傳統(tǒng)的工作溫度范圍,。雖然不是每個(gè)流程節(jié)點(diǎn)和類型都支持每種模型的每個(gè)替換，但必須進(jìn)行充分的驗(yàn)證,，以確保各種組合能夠達(dá)到預(yù)期的結(jié)果,?！?/p>

最后，預(yù)計(jì)對(duì)存儲(chǔ)器更大帶寬,、更少延遲,、更低功耗和更低成本下的更大容量的需求的將會(huì)不斷增加。面對(duì)著今天各種可用的存儲(chǔ)器類型,，無論是獨(dú)立的存儲(chǔ)器芯片的還是嵌入式存儲(chǔ)器,，系統(tǒng)架構(gòu)師必須隨時(shí)改進(jìn)理想存儲(chǔ)器方案的選項(xiàng)，以適應(yīng)特定的應(yīng)用場景,。

致謝：本文由電子科技大學(xué)低功耗集成電路與系統(tǒng)研究所黃樂天老師和陳家豪同學(xué)協(xié)助校對(duì),。特此感謝！

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