存储器需要一场新的技术革命
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编者按：本所谈及的新存储器和架构，尽管目前尚未广泛采用，但许多人认为改变不可避免。
存储器主导着许多SoC，我们很少听说某个设计包含太多的存储器。然而，存储器消耗了大部分的系统功耗，虽然这对于许多系统可能不是关键问题，但是对于物联网（IoT）边缘设备而言，总功耗是非常重要的。
几乎所有系统的存储需求都在变化。虽然新的存储器和存储器架构已经筹划了很长时间，但仍未被广泛采用。然而，许多业内人士认为临界点已然将近。
过去50年中，SRAM和DRAM已经成为存储器层次结构的主力，FLASH最近几年也在加入了“战场”。所有这些存储结构在往较小的几何结构缩放的过程中都存在问题，部分是因为它们都是平面结构。新的基于电阻开关的存储技术是金属层结构，消除了许多制造问题。因此，尽管我们今天可能不愿意采用它们，但它们可能是适合未来几代产品的唯一的存储技术。
图1：存储器分类
引人注目的新存储器包括：相变存储器（PCM）、铁电存储器（FeRAM）、磁阻RAM（MRAM）、电阻RAM（RRAM或 ReRAM）、自旋转移力矩RAM（STT-RAM）、导电桥RAM（CBRAM）、氧化物电阻存储器(OxRAM)。
Rambus公司的杰出发明家和营销方案副总裁Steven Woo说：“经典存储架构中有一个需要填补的空白。这些新型存储器中有一两种会生存下来，可能是3D XPoint（英特尔和镁光公司研发的PCM）、ReRAM、MRAM，也可能是其他的存储器，我不知道。关键问题是哪种会脱颖而出。但这主要由在给定性能参数范围内的数据输入输出确定。”
与性能直接相关的是功耗。 Adesto首席技术官Gideon Intrater说：“在给定功耗下的性能是一个非常重要的因素。在不同的应用中，存储器的用途非常不同，而且需求也是变化的。没有一个解决方案可以解决所有问题。”
那么，存储器子系统消耗了多少能量？ Sonics的首席技术官Drew Wingard说：“我们对于特定应用芯片的统计数据已经搜集完成，得到了计算系统的数据，即各个系统占功耗的百分比。这些数字往往包括内存子系统。当你一层层剥开其神秘面纱后，你会看到许多架构的存储器功耗，存储器功耗大约占总功耗的1/3至1/2。”
功耗和非易失性是FLASH存储器吸引人的因素。Synopsys公司IP部门高级产品营销经理Faisal Goriawalla说：“许多物联网设备依赖能量采集器，所以客户关注的是总功耗。设想一下，RFID标签。这些无源标签用于销售终端，不是用电池供电，而是从读取器的RF场获取能量，因此功率约束非常严格。”
物联网设备的另一个驱动力是成本。Cadence公司存储器和存储接口产品营销部门总监Lou Ternullo表示：“如果把存储器放在芯片上，就会删除引脚，降低了系统的成本。另一方面是硅面积增加。这是典型的SRAM。但是，如果需要嵌入式Flash，则需要一个特殊过程，成本十分昂贵。如果把所有的存储器都放在芯片裸片上，就会降低材料成本。如果需要放置比芯片裸片适合的更高的密度，那么就必须离开芯片。”
计算总能量
存储器消耗的总能量有几个部分，所有都要仔细考虑。它们是：
• 存储单元维护功率；
• 读、写和擦除功率；
• 接口功率；
• 架构的优化。
不同的应用可以用不同的方式平衡这些因素以及其它特性，例如持久性和性能。
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有一种能量成本与存储单元自身相关。这可能包括漏电流、刷新电路、或维持状态所需的有功电流。与许多存储器相关的总能量也可能取决于它们的规模，因为增加位线的规模会增加驱动电路的功耗，或在每个周期必须刷新的数据量。
以DRAM为例。Ternullo说，“DRAM的成本竞争力虽然不理想，但它使用必须刷新的电容单元。当你增加密度，单元容量下降——多亏了物理学定律——你必须经常刷新。所以它们试图变得更智能，包括诸如某些模式下的局部阵列自刷新技术，如果整个DRAM并不需要，那部分就不用自刷新。”
其他类型的存储器，例如SRAM，拥有无源动力功率元件，这些元件只是为了维持它们的状态。非易失性存储器（NVM）可能有零保持电流，无法忘记周围的逻辑。Goriawalla说，“漏电可能来自围绕存储核心的电路，NVM有一个使用传统CMOS器件的模拟组件。这些是较大的器件，所以这些器件的栅漏相当小，但是也有数字组件会产生栅漏。”
接下来是读、写和擦除存储单元所需要的能量。这些成本中的几个将与存储技术相关。Goriawalla继续说：“对于许多类型的FLASH存储器，写入电流往往高于读取电流。相比之下，多时间可编程（MTP）NVM具有相当高的能效。它们的程序电流低50倍，读取电流低10倍。 其原因是存储电荷的机制。在MTP存储器中，利用Fowler Nordheim（FN）电子隧穿，比嵌入式闪存使用的热载流子注入更节能。”
另一个考虑是访问机制。例如，许多Flash技术需要串行访问。CEA-Leti的高级系统和集成电路架构师Michel Harrand表示：“利用一些新兴的存储技术，你可以随机访问它们，无需顺序访问。你需要一些能量来写入一位，可能是10微安，这比DRAM略大，但DRAM是破坏性读出。当你读取一位时，你要读取完整的字线，然后你必须重写所有。新兴的NVM可以节省一些能量，即便它们写入一位需要更多的能量。它们不需要刷新。它会在你要写入的位数之间进行权衡。所以很难有确切的数字，因为它取决于你写入以及读取的位数。”
进出存储器的数据必须通过某种总线传输。Ternullo说：“存储器的大部分功耗与接口本身相关。在某些情况下，你面对的是难以改变的物理学规律。如果遵循这些标准，则I/O电压会发生变化，以帮助缓解这种情况。原来1.5V的DDR3已经变成了1.2V的DDR4和1.1V的LPDDR4。 从动态功率的角度来看，电压是关键组件，当你降低电压时可以降低动态功耗。”
降低接口成本的另一种方法是在芯片上集成，但是DRAM不能被嵌入，而且缩小Flash变得越来越困难。Goriawalla说：“系统功耗受到掩膜数量等因素的影响。与CMOS技术相比，嵌入式闪存需要12-14个额外的掩膜，并且可以增加25％的芯片裸片成本。”
还有其他因素会影响存储器的总功率，如系统的体系结构。缓存的设计是通过在芯片上放置少量快速、高功耗的存储器以减少访问时间，并且当所需的信息不在缓存中时，仅需要访问外部存储器。这减少了与访问外部存储器相关的时间和能量。如果在高速缓存中可以存储足够的数据，则可以最小化接口功率。
但因为SRAM 是高功耗的，所以物联网系统希望减少对其的依赖。然而，许多闪存器件，特别是在芯片外时，需要大量的SRAM。Intrater说：“无论何时，当处理器需要一个不在缓存中的程序时，处理器将从外部存储器获取必要的程序，然后继续。我们希望大部分程序都在缓存中。 闪存变成了内存层次结构的一部分。”
但这正在改变。“有一个名为‘就地执行’（XIP）的特征，此处你使用穿行NOR flash就像片外存储器。您可以让处理器直接从串行NOR flash读取数据，就像存储器一样。
另一个影响功耗的因素是读写的规模。当使用DDR时，单字节或字不会一次读取，而是可能突然读取512或1024。如果这是一个很好的能量使用，又如果不需要额外的字节读取，那么它依赖于应用程序，因此代表了浪费。这是一个示例，其中性能已成为驱动问题，并且对于许多系统可能是昂贵的功耗权衡。
A similar type of problem exists with NAND-type flash memories that are unable to write to a single location, instead requiring that a block of memory is first erased and then rewritten. This means there is a power penalty associated with small writes. An SRAM cache, even though it consumes more power, defers writes and may finish up providing energy savings.
NAND FLASH存储器也存在类似的问题——不能写入单一位置的，需要先擦除并随后重写存储器块。这意味着存在与小写入相关联的功率代价。 SRAM缓存，即使它消耗更多的功率，延迟写入，但是可能提供节能。
对于许多系统，现有的内存技术可能太耗电。Goriawalla说：“对于使用能量收集的系统。它们通常需要写入电流小于5μA，读取电流为几μA/ MHz。这加上了VDD的最小值 0.7 ~ 0.9V。所以我们谈论的是微小系统的功耗需求。 这些数字比大多数嵌入式闪存技术的数量级小。”
其他注意事项
同样，成本有许多方面，其中一些已经讨论过。功耗对成本有直接影响，但其他因素包括引脚数量、封装、芯片内的成本，以及与板上集成相关的成本。
Intrater说：“小系统往往拥有位于同一芯片裸片的嵌入式闪存。但也有局限性。我们看到系统要迁移到28nm，但在流程节点没有嵌入式闪存。闪存滞后于标准CMOS工艺。如果可以使用嵌入式闪存，那么这就是始终不变的最优解。但在许多情况下，这样却并不可行，原因在于成本，或者系统的其他部分需要更积极的过程节点。然后你需要恢复使用外部内存器，并开始遇到性能和功耗的问题。两者之间的联系需要具有正确的特性，以提供足够的性能，并且消耗更多的功率。”
这一判决对于新的内存类型变得更容易。 Harrand说：“在同一芯片上与逻辑一起进行闪存处理是很困难的。新存储器很友好，一切都在生产过程的后端。 这意味着在逻辑过程中可以有完全相同的晶体管，这使得它更容易嵌入逻辑或处理器。28nm使得嵌入式闪存过程变得很困难，所以我们有机会替换嵌入式闪存与这些新的记忆。”
许多互连架构针对现有存储器类型进行了优化。Harrand说：“DDR接口不太适合NVM。使用DDR，首先要声明你想要寻址的行或页面，然后声明你是要读取或写入。这对于新兴的NVM是不利的，因为如果你想要读取或写入，你一开始就必须知道。”Harrand表示，有办法克服这一限制，但它们会降低性能。
另一个障碍是接受新的权衡。Harrand继续说，“今天，我们可以拥有具备足够续航力的高度DRAM，但是无法拥有高密度，但是可以同时拥有速度和续航力。会有一些被优化接近DRAM，并具有完整的保留，或者有一些会有数日的保留，但并不是10年的保留，或者有一些会有优化保留，但他们没有速度。”
目前尚不清楚何时以及哪些新的存储器将首先打破障碍，但微控制器的出现将这些新的存储器嵌入到其中。随着数量的增加，成本将下降，这将加速它的应用。不久后，许多物联网系统将别无选择，尤其是如果它们想利用新的制造技术节点的话。
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