ASIC和SoC設計中嵌入式存儲器的優(yōu)化

　　密度

　　在存儲器IP的選擇上一個(gè)重要的考慮因素是，能否為各流程節點(diǎn)選擇不同的存儲器密度。先進(jìn)的存儲器編譯器允許設計師在密度與速度之間進(jìn)行權衡，比如，是選擇高密度(HD)位單元還是選擇高電流位單元。

　　設計師還可借助靈活的列多路復用等功能，通過(guò)控制存儲器占用形狀(可變寬度、可變高度，或正方形)，優(yōu)化SoC布局規劃，進(jìn)而最大限度地減小存儲器對芯片整體大小的影響。部分存儲器編譯器還支持sub-words(位和字節可寫(xiě))、功率網(wǎng)格生成等功能，可最大限度地優(yōu)化功率輸出。此外，靈活的端口分配(一個(gè)端口用于讀或寫(xiě)，第二個(gè)端口用于讀和寫(xiě))亦可節省SRAM、CAM和寄存器文件的占用空間。

　　兩種嵌入式存儲器IP架構的密度關(guān)系如圖4所示。與6晶體管(6T)位單元相比，位容量一定時(shí)，單晶體管(1T)位單元最多可減少50%的芯片空間。在設計中，對速度要求較低而密度要求較高時(shí)，1T式架構是較為理想的選擇。由于可采用批量CMOS流程，省卻了額外的掩膜環(huán)節，因而有益于成本壓縮。在高速應用方面，設計師可采用6T甚至8T位單元來(lái)滿(mǎn)足其速度要求。

　　圖4：存儲器密度與不同嵌入式存儲器IP架構的比例關(guān)系。

　　成本

　　對于SoC/ASIC來(lái)說(shuō)，為最大限度壓縮成本，與次優(yōu)IP(常稱(chēng)為“免費IP”)相比，設計師更愿選擇“節省空間”的IP參數。盡管有許多存儲器IP參數可供設計師免費選用，但在產(chǎn)品的整體收益性上，卻并不總是存在經(jīng)濟性最好的解決方案。在很多情況下，與“免費”存儲器IP相比，通過(guò)改善獲批的嵌入式存儲器IP的密度與性能來(lái)壓縮制造成本，其效果更為顯著(zhù)。

　　在產(chǎn)品的整個(gè)壽命過(guò)程中，存儲器體積的優(yōu)化對量產(chǎn)成本的影響如表1所示。本表中，存儲器IP所占用的芯片空間以百分比表示?？赏ㄟ^(guò)芯片成本、量產(chǎn)效率以及產(chǎn)品壽命，計算高密度存儲器的成本壓縮效果。節省的IP空間根據圖4得出。從圖中可以看出，1T和6T存儲器的密度增量比值約為2：1.

　　表1：高密度IP與成本節約。

　　嵌入式存儲器IP選用指南

　　為讓您對存儲器設計中的可選要素有一個(gè)了解，現將帶有部分最先進(jìn)功能的收費嵌入式存儲器類(lèi)型總結如下。

　　單端口(6T)和雙端口(8T)SRAM IP：

　　由于這類(lèi)存儲器架構大多適用于主流CMOS制造流程，無(wú)需額外的流程環(huán)節，因此基于傳統6T存儲單元的靜態(tài)RAM存儲器塊已成為ASIC/SoC制造中的主流。6T存儲單元采用了經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗的由晶圓代工廠(chǎng)生產(chǎn)的可用于高速度、低功耗設計的6T/8T位單元，是大規模程序或數據存儲器塊的理想器件。6T存儲單元可用于存儲能力從幾位到幾兆位的存儲陣列。

　　根據設計師是采用針對高性能還是針對低功耗優(yōu)化的CMOS流程，采用此種結構的存儲陣列，經(jīng)過(guò)設計，可滿(mǎn)足多種不同的性能需求。經(jīng)高性能CMOS流程制造的SRAM塊，在功耗得到降低的同時(shí)，在40nm和28nm等高級流程節點(diǎn)的存取時(shí)間可降低到1ns以下。隨著(zhù)流程節點(diǎn)的推進(jìn)，外形尺寸的縮小，采用傳統6T存儲單元構建的靜態(tài)RAM，其單元尺寸將更小，存取用時(shí)也更短。

　　SRAM存儲單元的靜態(tài)特性使其可保留最小數目的支持電路，只需要對地址進(jìn)行解碼，并向解碼器、傳感和計時(shí)電路的設計提供信號即可。

　　單端口(6T)和雙端口(8T)寄存器文件IP：

　　對于快速處理器緩存和較小的存儲器緩沖(最高約每個(gè)宏塊72Kbit)來(lái)說(shuō)，這類(lèi)寄存器文件存儲器IP是個(gè)不錯的選擇。寄存器同時(shí)具備占用空間最小、性能最快等特點(diǎn)。

　　單層可編程ROM IP：

　　這種結構功耗和速度均相對較低，特別適用于空間有限的微碼的存儲，固定數據的存儲，或體積穩步遞增的應用程序的存儲。這類(lèi)IP可支持多芯片組和不同長(cháng)寬比，既縮小了芯片體積，又獲得了最佳速度。為加快設計周期，部分IP還提供了用以驅動(dòng)存儲器編譯器的編程腳本語(yǔ)言。

　　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。