ASIC和SoC設計中嵌入式存儲器的優(yōu)化

內容尋址存儲器IP：

由于速度更快，能耗更低，且與用于執行大量搜索任務(wù)的應用程序的算法途徑相比，占用芯片空間更小，因此這類(lèi)IP大多作為T(mén)CAM（三進(jìn)制）或BCAM（二進(jìn)制）IP，用于搜索引擎類(lèi)應用程序。通常情況下，搜索可在單個(gè)時(shí)鐘周期內完成。TCAM和BCAM通常用于包轉發(fā)、以太網(wǎng)地址過(guò)濾、路由查詢(xún)、固件搜索、主機ID搜索、存儲器去耦合、目錄壓縮、包分類(lèi)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(dòng)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，但需要在系統控制器和邏輯層面，了解存儲器的動(dòng)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(lái)像簡(jiǎn)單易用的SRAM陣列，也可能對DRAM及其自身控制器進(jìn)行集成。通過(guò)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(dòng)態(tài)特性透明化，設計師可在實(shí)施ASIC和SoC解決方案時(shí)，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(chǎng)獲得。但是，由于某些此類(lèi)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(chǎng)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(cháng)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(guò)標準批量CMOS流程制造的架構，因此，它既無(wú)需修改掩膜，也無(wú)需額外的流程步驟。此類(lèi)IP宏塊具有更高的成本效益（流程成本可節省15-20%），并且可在任何工廠(chǎng)進(jìn)行加工，也可出于成本或生產(chǎn)能力等原因，改換加工工廠(chǎng)。這種解決方案提供了多種尺寸、長(cháng)寬比和接口，可逐一指定相應的存儲器編譯器。對于系統的其余部分來(lái)說(shuō)，生成的存儲器塊接口看起來(lái)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(dòng)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(guò)編譯器的自動(dòng)化操作，可降低非經(jīng)常性工程成本，并可減少手動(dòng)陣列優(yōu)化相關(guān)的潛在錯誤。編譯器不但可使客戶(hù)的內核大小、接口以及長(cháng)寬比均達到最理想數值，而且還可幫助他們最大限度地縮短上市時(shí)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(guān)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(guān)鍵參數，其尋求的存儲器IP應具有足夠的適應性，可滿(mǎn)足目標SoC的各種需求。盡管有現成的免費存儲器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(guò)充分調試的存儲器IP具有體積小、泄露功率低、動(dòng)態(tài)能耗低、速度快等特點(diǎn)，可使設計師的解決方案進(jìn)一步優(yōu)化，不但可在產(chǎn)品的整個(gè)壽命周期內，帶來(lái)上百萬(wàn)美元的結余，而且也使其芯片在競爭激烈的ASIC/SOC市場(chǎng)上，得到更好的差異化。