异步SRAM高性能低功耗存储器的实现

异步SRAM产品分为快速与低功耗两个极为不同的产品类型，每个系列都具有其自己的一系列特性、应用和价格。快速异步SRAM具有更快的存取速度，但功耗较高；低功耗SRAM功耗低，但存取速度慢。
　　从技术角度看，需要进行这样的利弊权衡：在低功耗SRAM中，使用特殊栅极诱导漏极泄漏（GIDL）控制技术来控制待机电流，以控制待机功耗。这些技术涉及在上拉路径或下拉路径中增加额外的晶体管，这样存取延迟就会加剧，从而会增加存取时间。在高速SRAM中，存取时间具有最高优先级，因此无法使用这种技术。此外，该晶体管也可增大尺寸，以增加电荷流。尺寸的增大可减少传播延迟，但同时会增加功耗。
　　从应用需求角度看，该权衡奠定了两种不同的应用基础。快速SRAM在作为高速处理器的直接接口高速缓存或高速暂存扩展存储器时工作良好。低功耗异步SRAM可用于为功耗必须非常低的系统临时存储数据。因此，快速SRAM通常用于服务器和航空设备等高性能系统，而低功耗SRAM则主要用于POS终端以及PLC等电池供电设备。
　　然而，随着技术的不断发展，越来越多的有线设备也推出了电池供电移动版本。过去几年，我们还见证了无线应用的大量推出，其带来了无线设备的长足发展。物联网（IoT）促进了新一代医疗设备、手持设备、消费类电子产品、通信系统以及工业控制器的发展，它们正在彻底改变各种设备的工作与通信方式。在这些移动设备中，快速SRAM和低功耗SRAM都不能全面满足需求。快速SRAM流耗大，很快就会耗尽电池，而低功耗SRAM则存取速度不足，不能满足这些复杂设备的需求。
　　对于现代电子设备的所有重要组件而言，降低功耗并缩小封装是目前面临的两个最大的挑战。对于异步SRAM来说，这种挑战就是在小型封装中创建功耗显著降低的快速SRAM.虽然很多SRAM制造商都已经开始提供采用少数引脚及裸片尺寸封装的产品，但并没有满足市场对高性能低功耗存储器的需求。
　　电源管理和待机功耗
　　定义设备功耗有两个主要参数，分别是工作功耗和待机功耗。工作功耗是指设备在主动执行其主要功能时消耗的电源。对于SRAM来说，就是在执行读写功能时消耗的电源。待机功耗是指设备没有工作，但依然处于通电状态时所消耗的电源。对于绝大多数手持设备而言，SRAM大约有20%的时间在工作，而在其余80%的时间里，SRAM以待机模式与电源相连。
　　在以前大部分电子设备都连接至电源插座的时代，待机功耗在成本和便捷性方面都不是什么问题。然而对于当前电池供电设备而言，待机功耗可增加明显的电源优势。如果电源是不可充电的电池，那电池消耗殆尽的速度会更快。在可充电电池应用中，最大的问题是：如果需要过于频繁地充电就很不方便，这正好违背了移动设备的初衷。
　　降低功耗的需求最早来自微控制器，因此制造商不得不寻找各种替代方案代替传统工作及待机这两种状态模式。这使TI和NXP等公司推出了具有特殊低功耗工作模式（称为深度断电模式或深度睡眠模式）的MCU.这些控制器可在正常工作中全速运行，而在不需要时则进入低功耗模式。这样，系统可在不影响高性能的情况下降低功耗。在该低功耗模式下，外设和存储设备也有望省电。电源管理的重点现已转移至与这些系统相连的存储设备。
　　支持片上电源管理的SRAM
　　在我们介绍片上电源管理SRAM的概念及无限潜力之前，我们先来了解为什么现在需要它。在电路板上，异步SRAM通常与MCU相连作为扩展存储器，其可用做高速缓存或高速暂存存储器。与DRAM和闪存等其它存储性存储器相比，SRAM具有密度局限性：当前可用的SRAM最大存储密度是8MB，而DRAM则已进入GB时代。然而，MCU很难跟DRAM或闪存直接连接，因为这些存储器一般具有很长的写入周期，不能与MCU同步。高速工作的MCU需要可以存储重要数据的高速缓存，以及以一种能够进行快速存取的方式进行的各种临时运算。SRAM最适合用作MCU与存储性存储器之间的高速缓存。
　　下图不仅更好地说明了存储器的不同阶段，而且还指出了哪里需要SRAM：
　　
　　（图片来源：https://ece.uwaterloo.ca/~cdr/pubs/Andrei_PhD_thesis.pdf）
　 
以下因素进一步推动了对低功耗快速SRAM的需求：

1.在具有各种新工艺节点的现代MCU中，嵌入式高速缓存的作用越来越有限；

2.由于上述原因以及MCU现已变得越来越高级，因此外部高速缓存正日益变得更加重要。因而，当务之急是让SRAM不再成为限制因素；

3.在电池供电应用中，功耗是客户购买时考虑的重要参数。因此，SRAM芯片的高待机功耗是无法接受的。

由于以上所有因素，SRAM制造商多年来一直在尝试取消快速产品与低功耗产品之间的利弊权衡。其中一个解决方案是混合器件——在存取时间和功耗上进行快速与低功耗的搭配。然而，这些混合SRAM无法满足快速SRAM可满足的性能要求。最好的解决方案是支持片上电源管理的快速SRAM，其既可确保高性能，又可实现低功耗。

支持片上电源管理的SRAM的工作方式跟支持片上电源管理的MCU类似。除了工作模式和待机工作模式以外，还有深度睡眠工作模式。这种设置允许SRAM芯片在标准工作模式下全速存取数据，而在深度睡眠模式下不执行任何功能，因此流耗极低（比普通快速SRAM的待机功耗低1000倍）。

下表针对快速SRAM、低功耗SRAM以及支持深度睡眠工作模式的快速SRAM进行了各种参数比较：



这些数字清楚地展示了与使用标准快速SRAM相比，使用“带深度睡眠模式”的SRAM的优势。在SRAM大部分时间都处于待机状态的应用中，该优势会更加明显。

我们来假设一个场景：某器件工作了一千个小时，SRAM的工作时间只占其中的20%.如果该SRAM是一款工作电压为3.3V的快速SRAM，那它的工作功耗就将为120瓦时（WH），待机功耗为80 WH.总功耗将为200 WH.现在，如果我们使用具有深度睡眠模式的快速SRAM，工作功耗依然是120 WH，但待机功耗则锐减至0.06 WH.总功耗大约为121 WH.因此在该具体应用中，深度睡眠选项可将功耗降低40%.然而在使用深度睡眠模式时（无论是MCU还是SRAM），需要考虑的一个因数是进入和退出深度睡眠模式所需的时间。如果这两个工作周期的时间间隔比SRAM进入和退出深度睡眠模式所用的时间还短，那该方法就不适合。

迄今为止，唯一推出支持片上电源管理的SRAM的公司是赛普拉斯半导体公司，该产品为PowerSnoozeTM.PowerSnooze SRAM采用54-TSOP和48-BGA等标准封装，与普通快速SRAM一样。为使用深度睡眠功能，该产品还提供了一个特殊引脚（DS），可将低电平有效切换至进入深度睡眠模式。标准快速SRAM上的同等引脚恰恰是无连接（NC）。因此只需极少的设计工作（只需连接一个额外的引脚），便可将标准快速SRAM升级为PowerSnooze SRAM.