更低功耗、更小尺寸、更高性能……创新存储如何满足“既要、又要、还要”的苛刻设计需求

人工智能大模型的突然爆火，让发电这个近200年的传统产业意外再次引起关注：据业界数据显示，仅ChatGPT每天就需要消耗超过50万千瓦时电力，相当于1.7万个美国家庭的用电量。而随着生成式AI的广泛应用，预计到2027年，整个人工智能行业每年将消耗85至134太瓦时（1太瓦时=10亿千瓦时）的电力。如此高昂的电力负担对当前任何国家的供电能力而言都是严峻挑战，更遑论巨大的用电成本。业界戏称，AI的尽头是绿电。

有电力焦虑的不仅人工智能大模型，随着5G与物联网应用的广泛普及，各种嵌入式边缘智能电子产品一样有“能耗焦虑”，例如可穿戴电子产品、扫地机、智能音箱等，待机时长已经成为关键卖点。更苛刻的是，这些对能耗敏感的产品还通常附加便携性等需求，工程师需从各个方面去满足“既要、又要、还要”的多重挑战。

从1.8V到1.2V

小改变解决了电压对齐的大麻烦

如何降低电子系统功耗？摩尔定律就为半导体芯片的低功耗指出了方向，制程节点越先进的系统级芯片（SoC）性能越高、功耗越低。如今SoC正逐步采用更先进的制程节点，如7纳米、5纳米、4纳米乃至最近崭露头角的3纳米工艺，制造工艺的迭代让SoC的核心工作电压从过去的3.3V一路走低，已降至1.2V及以下。

与SoC芯片供电电压的走低趋势不同，传统闪存IC产品阵容广泛，其核心工作电压通常设定在3.3V或1.8V，这样的高电压环境为闪存器件提供了足够的驱动，确保了编程和擦除操作的高效执行。

然而，工程师们在处理1.2V SOC与1.8V Flash协同工作的问题时，常常遇到一个“大麻烦”，需要不得不采取额外的工程措施以实现二者的兼容，即通过引入电平转换电路在SoC内部集成电平转换逻辑，将核心的1.2V电压信号抬升至与外部闪存相匹配的1.8V IO电压水平，从而确保信号传输的完整性（如图1所示）。此外，还必须设计双电源系统，分别支持1.2V SoC和外部1.8V Flash，确保各自器件获得正确的供电电压。

图1：1.2V SoC通过增加升压电路与传统1.8V Flash进行通信

在这样的背景下，兆易创新的1.2V SPI NOR Flash——GD25UF产品系列应运而生，通过供电电压的小改变解决了系统电压对不齐的大麻烦。

多维度创新设计

让存储读写功耗大幅降低

正是基于设计的复杂性及成本降低的考虑，1.2V SPI NOR Flash对SoC用户而言非常重要。如图2所示，当SoC与外部闪存的工作电压均为1.2V时，两者之间实现了无缝对接，无需额外的电平转换电路介入，这就意味着SoC中原本用于对接不同电压闪存所需的空间得以节省，芯片面积得到有效缩减。

图2：采用GD25UF 1.2V SPI NOR Flash可有效简化电源架构

值得一提的是，GD25UF产品系列在1.2V工作电压下的数据传输速度、读写功耗等关键指标上均达到国际领先水平。同时，该产品系列提供了Normal Mode和Low Power Mode 两种工作模式，相比1.8V NOR Flash，1.2V GD25UF系列在Normal Mode、相同电流情况下的功耗降低33%，在Low Power Mode、相同频率下的功耗更是降低70%。

GD25UF产品系列具有单通道、双通道、四通道和DTR四通道的SPI模式，DTR功能还有助于降低功耗。在正常的四通道SPI模式下，GD25UF在120 MHz的工作频率下以6mA的读取电流实现480 Mbps的吞吐率；而在DTR四通道SPI模式下，该产品在 60MHz 工作频率也可实现480 Mbps的吞吐率，但电流更低，为5mA。优异的性能使得该产品系列在针对智能可穿戴设备、健康监测、物联网设备或其它单电池供电的应用中，能显著降低运行功耗，有效延长设备的续航时间。目前，GD25UF产品系列已有64Mb、128Mb容量可供选择，并即将推出8Mb、16Mb、32Mb容量产品。

从GD25UF到GD25/55NF

兆易创新这样加速产品落地

除了GD25UF产品系列，兆易创新还推出了业界首款1.8V核心供电、1.2V IO接口架构独特的NOR Flash产品——GD25/55NF系列，以应对更高性能与更低功耗的双重挑战。该产品系列可与1.2V核心电压的SoC实现无缝对接（如图3所示），精准契合了先进制程SoC设计对低功耗、简化电路布局的迫切需求。

与此同时，在性能方面，尽管GD25/55NF产品系列的接口电压降低至1.2V，其仍保持1.8V核心供电，这意味着该产品系列拥有与1.8V Flash相同的读取性能以及较快的擦写时间；功耗方面，在保持数据处理速度和稳定性不变的前提下，GD25/55NF系列相较于常规1.8V供电方案，1.2V VIO接口方案最多可以降低40%的读功耗，显著提升了能效比，对汽车电子、可穿戴设备、智能识别等对性能和功耗均有严格要求的应用而言，该产品系列是非常理想的Flash解决方案。目前，GD25/55NF产品系列有128Mb、256Mb、512Mb、1Gb、2Gb等多种容量可供选择。

图3：1.2V VIO GD25/55NF保持1.8V高性能的同时有助于简化电路设计

多年持续开拓

引领存储发展新趋势

自2008年推出国内首颗SPI NOR Flash以来，兆易创新历经多年的研发和市场拓展，已成为SPI NOR Flash全球市场占有率排名第二的芯片厂商，Flash累计出货量超237亿颗。兆易创新SPI NOR Flash的产品线十分丰富，提供从 512Kb 至 2Gb 容量范围，支持 1.2V、1.8V、3V 以及1.65~3.6V 供电，覆盖 7 款温度规格、15 种产品容量、27 大产品系列以及 29 种封装方式，针对不同市场应用需求分别提供高性能、低功耗、高可靠性、小封装等多个产品系列，满足几乎所有代码存储的应用需求。

其中，GD25/55T和GD25/55LT系列提供高达200MB/s数据吞吐量；GD25/55X和GD25/55LX系列提供高达400MB/s数据吞吐量，适用于车载、物联网和其他等需要将大容量代码快速读取的应用，以保证系统上电后即时响应。此外，兆易创新还提供WLCSP（晶圆级芯片封装）、并率先推出了3x3x0.4mm的FO-USON8封装的128Mb GD25LE128EXH，超小尺寸产品让研发人员在轻薄小的系统方案设计中游刃有余。

兆易创新的NAND Flash采用38nm和24nm工艺节点，提供1Gb至8Gb主流容量产品，支持1.8V和3V电压，以及传统并行和新型SPI两种接口形式，为需要大容量、高可靠性代码存储的嵌入式应用提供了完善的解决方案。

此外，兆易创新GD25/GD55全系列SPI NOR Flash以及GD5F全系列SPI NAND Flash均已通过AEC-Q100 车规级认证，兆易创新已实现从SPI NOR Flash到SPI NAND Flash的车规级产品的全面布局，为车载应用的国产化提供丰富多样的选择。

作为业界领先的半导体器件供应商，兆易创新将持续推动新一代存储芯片的不断升级，满足千行百业的应用需求，助力行业加速创新。

原文转自兆易创新GigaDevice