SRAM在新一代IoT和可穿戴嵌入式设计中的作用

　　上世纪90年代中期，英特尔决定把SRAM整合到自己的处理器中，这给世界各地的独立式SRAM供应商带来“灭顶之灾”。最大的SRAM市场（PC高速缓存）一夜之间销声匿迹，只留下少数细分市场应用。SRAM的“高性能存储器（访问时间短、待机功耗小）”价值主张因其较高的价格和容量限制（目前的最高容量是288Mb）而高度受限。由于SRAM每个单元有四到六个晶体管，几乎无法与DRAM和闪存竞争（这两种存储器每个单元只有1个晶体管）;每个单元的晶体管数越少就意味着板容量和成本越低。因此，对构成98%的市场总额的传统存储应用而言，SRAM是一种不切现实的解决方案。

　　自英特尔开始嵌入SRAM以来，大多数SRAM供应商已经做出相应调整，或关闭工厂，或丰富SRAM之外的其它产品组合。对SRAM的运用则转向要求高性能的专门应用，主要包括工业、汽车和国防领域。SRAM的整体市场在2002年到2013年间的年均复合增长率（CAGR）为-13%。然而，若认为这种技术已经日薄西山还为时尚早。实际上，由于种种因素的作用，在未来几年我们预计将会看到长期被冷落的SRAM东山再起。在本文中，我们将探讨让SRAM重获新生的技术进步以及使之能够满足未来需求的SRAM技术发展趋势。

　　SRAM回归主流嵌入式设计

　　SRAM回归主流设计的动力非常耐人寻味，力图取代SRAM的潮流忽然发生逆转。英特尔决定嵌入SRAM，这在当时是个非常英明的决策。SRAM不仅成本效益更高，而且还是技术一流的解决方案。与外部SRAM相比，嵌入式SRAM的存取时间更为出色，要知道对于高速缓存存储器而言，存取时间是最关键的因素。

　　自那时起到现在，处理器功能变得更加强大，而且尺寸越来越小。随着处理器的功能日渐强大，它们要求高速缓存存储器性能也要有大幅改善。但与此同时，随着每一代新工艺节点的问世，不断增大嵌入式高速缓存存储器的容量成为一项越来越艰巨的挑战。SRAM拥有六晶体管架构（逻辑区一般为四晶体管/单元）。这意味着随着工艺节点的缩小，每平方厘米的晶体管数量将会极高。这样的高晶体管容量可能导致许多问题，包括：

　　发生软错误的几率增大：随着工艺技术从130nm缩小到22nm，软错误率预计将增长七倍。

　　产量降低：由于晶体管容量增大，加上位单元不断缩小，SRAM的面积更容易受工艺变化所造成的瑕疵的影响。这种瑕疵会降低处理器芯片的总产量。

　　功耗增加：如果SRAM位单元必须与逻辑位单元的大小相同，那么SRAM晶体管的尺寸就需要缩小到小于逻辑晶体管。而晶体管尺寸的缩小会导致漏电流增大，最终导致待机功耗增大。

　　有两种途径可以解决这个问题。一种方法是为处理器中或片上系统中的SRAM面积和逻辑面积采用不同的工艺技术节点。但这样做的后果则是处理器的大部分面积由SRAM构成。如果是这样，缩小处理器芯片的理由就无法成立。另一种方法则是把SRAM与处理器或控制器分开。有一些技术创新实际上正在加快这种替代方案的实现。

　　可穿戴电子产品中的SRAM

　　当今世界的微控制器（MCU）已经广泛应用于各种设备中。我们现今正在经历一个重大电子产品发展趋势，那就是可穿戴电子产品（图1）。对于智能手表和健康腕带这样的可穿戴产品来说，尺寸和功耗是关键因素。由于电路板尺寸受限，MCU必须精简小巧，并且能够借助便携式电池提供的微弱电力运行。

　　图1：可穿戴电子产品的要求正在推动SRAM的复兴

　　在上述要求下，片上高速缓存的容量相当有限。在将来的几代产品中，我们预计会看到可穿戴产品的功能将得到进一步丰富。这样一来，片上高速缓存的容量将不敷使用，从而带来对外部高速缓存的需求。在所有可用的存储器中，SRAM是用作外部高速缓存的最佳选择。因为它与DRAM相比待机电流消耗较低，而且其存取时间也比DRAM和闪存更短。

　　但是，要装配到微小的可穿戴产品电路板上，SRAM将需要进一步发展。对现有的并行SRAM而言，存在下列问题：

　　· 与MCU通信所需的引脚数过多;

　　· 尺寸过大，不适合PCB。

　　物联网和SRAM

　　过去几十年里，SRAM领域已衍生出两个不同的产品线：高速率和低功耗。每个产品线都有着各自特有的功能、应用和价格。需要使用SRAM的设备要么需要它的高速特性，要么需要它的低功耗特性，但从来不是两者兼具。然而，对采用便携式电源供电并用以执行复杂 *** 作的高性能低功耗设备的需求正在不断增长。这种需求背后的动力来自新一代医疗设备、手持设备、消费类电子产品、通信系统以及工业控制器，这些设备均受物联网（IoT）驱动。

　　IoT正朝着两个不同的方向发展：智能可穿戴产品和自动化技术。正如前文我们所讨论的，可穿戴产品使用低功耗的小尺寸SRAM最为适合。同时，物联网的发展还会影响到工业、商业和大规模运营以及个人住宅、大型工厂乃至整个城市的自动化。SRAM采用小型封装，能够在降低功耗的同时保持高速性能，其将为IoT应用带来重要价值。

　　许多主要厂商提供的微控制器通过诸如深度低功耗（Deep Power-Down）和深度休眠（Deep-Sleep）等特殊的低功耗模式，已经能够满足对此类跨界设备的不断变化的需求。在这些模式下，外设和存储器模块也有望节省功耗。因此，要成为IoT设计的优先选择，SRAM的发展必须能够让客户不必在性能和功耗之间权衡取舍。

　　SRAM的发展如此之快，很明显只要独立式SRAM制造商能够通过创新让自己的产品满足新一代应用需求，激动人心的时刻就在未来等待着他们。SRAM的主要创新领域包括：

　　缩小芯片尺寸：这要求工艺技术的进步和封装技术的创新;

　　减少引脚数量：目前大多数SRAM使用并行接口。市场上的串行SRAM只有低容量产品。需要生产容量更高的串行SRAM;

　　功耗更低的高性能芯片;

　　片上软错误校正。

　　在下面的章节中，我们将介绍SRAM设计的一些关键创新，这些设计创新促使嵌入式系统开发人员考虑把SRAM用于嵌入式可穿戴产品、IoT和其它嵌入式系统应用。