科普：Register file和SRAM

前两期，我们分别对OTP和MTP，RAM和ROM进行了比较。这一次，我们来谈谈Memory Compiler，以及通过它生成的Register file和SRAM。

什么是Memory Compiler ？

Memory Compiler，内存编译器。顾名思义，是用来生成不同容量memory的工具，输入参数，我们就可以得到生成的文件。生成的文件包括：前端设计verilog模型、逻辑综合的时序库、后端需要的电路网表和LEF/GDS版图文件、其他DFT验证相关的、datasheet手册等等。

Memory Compiler由供应商提供，往往是不通用的，界面也不尽相同。同一个厂商的不同工艺下，Memory Compiler不同。相同工艺，不同厂商，Memory Compiler也不同。内存编译器通常是供应商的知识产权，其功能是根据客户的需求生成各种类型的memory。

一般的Memory Compiler提供五个ram脚本（rf_sp,sram_sp,rf_tp,sram_dp,rom）。这意味着可以生成1 Port Register file、Single Port SRAM、2 Port Register file、Dual Port SRAM以及ROM。不同的厂商或许还拥有特殊工艺。

一般来说，MC只生成常用的memory，特殊的往往需要定制或者组合。

考虑到面积和性能，又可以划分为High Speed和High Density等等。

图源知乎：SMIC 的Memory Compiler，由Artisan公司提供

Memory Compiler使用介绍

在使用Memory Compiler时，请务必确保你的RAM从头到位的规格与设定都相同，否则会造成一些不可避免的错误。

首先在RTL代码阶段，要用到RAM就要用到verilog代码，此时不需要着急产生其他后阶段的必要数据，因为RTL代码阶段只需要行为级模型即可。

当进入门级代码后，RAM compiler就要产生其他的相关数据了，同时要考虑RAM版图的位置与方向。由于重大的设计不会一蹴而就，所以有两个重点，第一个是每次使用RAM compiler时都一定要让它产生特性设置文档，避免忘记自己做过的设定。第二件事是对应的文件名要定义好，否则RAM的方向不同但是又用到了相同的文件名，就会把原始数据覆盖掉。

RTL阶段

在RTL阶段主要只是产生verilog行为级和设置文件。因为在RTL阶段不需要考虑RAM的位置信息。Memory Compiler提供多种选择，在这个阶段，选择生成RF或是SRAM，以及确定端口数量。如果容量比较大的话，相同设置下，单端口比双端口面积要小，速度也要快，功耗要低。

综合与布局布线阶段

为了避免重新启用Memory Compiler与以前设置有出入，所以最好一次性将Memory Compiler能够产生的相关数据一并输出。在这里，Memory Compiler还需要产生3种数据。

.LIB 该数据是RAM的时序信息文件

.VCLEF 布局布线工具需要使用的物理信息文件

.SPEC RAM的注释文件

在布局布线前，需要考虑RAM的长与宽，估计它的位置与方向，尽量让功能想关的模块靠近一些。

将产生的.LIB文件转换成.DB文件，就可以把Memory Compiler生成的RAM加入到代码中进行综合了。在综合工具的脚本中的serch_path下加入RAM的DB文件地址即可。

以上为Memory Compiler大致的使用流程，不同的工具在细节上或许有所区别，但大体流程如此。

苏州腾芯微电子的Memory Compiler界面

接下来，我们来聊一聊，生成的memory——Register file和SRAM。

Register file与SRAM的比较

首先，厘清一下概念上的问题，Register file和很多的registers不是同一个概念。我们在IC设计里谈到register时，常常是指D触发器，而Register file是一种memory。

那么，同为Memory Compiler生成，RF和SRAM有什么区别呢？在比较中，不同规格相比较显然不够客观，也不能让我们更清晰地认识到它们的差异。

在比较前，我们需要先把端口的概念搞清楚：

1 port，single port：单端口，读写同端口，需要WE控制输入输出

2 port：双端口，读写分开，输入输出端口固定，可以不用WE控制

dual port:同样是双端口，但读写端口不固定，且都可读可写

RF 的端口示意图

SRAM 的端口示意图

所以我们应当把1P RF和SP SRAM，2P RF和DP SRAM比较，才有意义。

1 Port Register file 和 Single Port SRAM

同为单端口，从外部端口看，难以区分1P RF和SP SRAM的区别，但是我们可以从以下几个方面，来进行区分。

首先我们以Memory Size：512*32的1P RF和SP SRAM为例。

此为1P RF

此为SP SRAM

从datasheet直观上来看，SRAM比Register file多了OEN（输出使能）。

除此之外，Register file和SRAM两者相比，SRAM的最大容量比RF要大。相同配置下，RF的面积更大，功耗更低。

在mem比较小的情况下用RF划算，并且同样的mem，RF的长宽比会更小，方便后端floorplan。大容量的时候，SRAM的速度是有优势的。并且SRAM速度快，面积小。同样大小的RF，面积就很大了，速度也慢下来了。

所以简单来说，小容量选RF，大容量选SRAM。

2P Register file 和 Dual Port SRAM

比起1P RF与SP SRAM的比较，2P RF与DP SRAM的差异较为直观。

2P RF有一个输入数据总线，一个输出的数据总线。DP SRAM有两个数据输入总线，两个数据输出总线。

换句话说，2P RF是一组信号，读写端口固定；而DP SRAM则有两组信号，读写不分开。

且两组信号，每组都有自己的地址，输入数据总线，输出数据总线，时钟，读/写控制。这两组可以分别往存储单元写，或从存储单元读出。读可以一直读，写时数据可能存储单元数据更新，数据也可能输出端口。

DP SRAM就好像2个SP SRAM共用存储单元。

具体的应用，需要结合设计人员和项目自身的需求来选用。小容量，地址少的用RF。有两个外设要同时读写SRAM的，就要用DP SRAM。涉及到具体的选取，则需要由设计人员自己做判断了。

以下为读写时序图：

图源：数字IC自修室

审核编辑 ：李倩