适用于高密度、低功耗应用的新型存储器

为了满足用户对手机更多服务的需求，服务提供商不断推陈出新，促使仅具通话功能的传统手机向同时具有语音和数据功能的新型手机转换。向数据通信功能的转变将直接影响手机中的硬件结构。目前，2.5G 和3G手机已经能够提供更多的功能，诸如SMS(短信息服务)、MMS(多媒体信息服务)、图象传送、音频/视频流和因特网接入等。
随着密度更高、能耗更低、吞吐量更大的存储器的涌现，应用在手机上的存储器也随之变化。对数据处理容量需求的增大，使得现有的基带控制器和存储器难以满足要求。除此之外，电池的使用寿命是移动电话当中的一个更为重要的问题。
对更大存储容量、更小机身、更长电池寿命的需求不断增强，促使手机中使用的易失性存储器从传统的SRAM向高密度、低功耗SRAM提升，进而再向更高密度、更快速度、更低功耗的1T存储器演进。现今便携式装置中使用的SRAM将不能满足下一代手机所需的大容量数据存储。从传统意义上说，1T存储器被归为DRAM一类，用作个人电脑的主内存。然而新型的低功耗结构(以及各种不同的低功耗模式)容许1T存储器磁芯使用于对功耗要求更为敏感的实际应用中。因此，1T PSRAM正逐渐成为手机存储器的理想选择。

市场需求
手机通常需要两种存储器——易失性存储器和非易失性存储器(见图1)。非易失性存储器通常用于存储手机操作的编码，易失性存储器则用于存储手机操作中的数据。对这两种存储器的需求都在不断变化，这种变化主要是由基带部件需要更有效率的数据流而引起的。
手机通常把操作系统和应用软件存储于非易失性(闪存)存储器中。操作手机时，编码从闪存中提取出来并予以执行。在执行编码时，SRAM存储中间数据、寄存器栈等。由于手机数据化操作的发展趋势日益增强，应用软件的规模和复杂程度也不断提升。这迫使手机不得不采用更大容量、更快速度的快闪内存以及更大容量的SRAM。对更大容量、更快速度存储器的追求必然导致成本不断增加。对此，一种解决办法是使用廉价、慢速(与非)闪存和快速易失性存储器。一种采用编码映像技术的编码在操作的开始阶段从与非闪存中被加载到快速易失性存储器，然后就由易失性存储器予以执行。

更高密度需求
为支持所有的数据性能，对存储器的密度需求急剧上升。PSRAM被用作某个工作区域存储器或程序存储器，负责进行编码。由于全部存储器的需求将超过那些能够被嵌入到处理器/ASIC部件中的存储器，因而不可能把所有的存储器都集成到基带ASIC芯片中。
随着对存储器密度和吞吐量需求的提高，也要求微功率存储器具有更低的功耗。这些存储器的工作电压已从3.3V降低到了1.8V，从而有效降低了运行功率。由于移动电话经常处于待机状态，因此有效降低待机功耗极为重要。与6T SRAM待机模式不同的是，PSRAM必须刷新才能保存数据，从而产生待机功耗。由于具有自我刷新设置，PSRAM能够提供四种截然不同的方式来降低待机功耗：减小存储器大小(RMS)、局部数组刷新(PAR)、自动温控刷新以及深度休眠模式(/ZZ)。在RMS工作模式中，PSRAM就象一个缩小的SRAM在工作。譬如，64M的PSRAM能够像16M或32M的存储器一样工作。用局部数组刷新模式，PSRAM将按照用户的配置，仅仅刷新存储器的某一部分。在深度休眠模式中，只要/ZZ保持低点，存储器就能保持低功耗，但一旦/ZZ升高，PSRAM就回复到全址刷新模式。
DRAM的漏电在很大程度上取决于温度。温度越高，放电越快。刷新时，每块电池都会按内部振荡器电路设置的恒定速度进行充电。一些存储器供应商会通过注册表设定能适应极限温度(通常为85℃)的刷新速度。因此，该器件常常消耗过多的功率。对于这些器件，处理器必须检测存储器的温度并在注册表里设定适宜的温度限制。

更大的吞吐量
新一代手机，具有诸如音频/视频流和因特网接入等功能，从而要求在基带处理器和存储器间更快地进行数据传输。因此，在手机应用中，配备有快速页面模式或脉冲接入功能的存储器正日益取代传统的异步接口。
在配有页面和脉冲模式的存储器里，使用相邻存取会比随机存取获得更好的性能。页面或脉冲的初始存取与传统的异步装置耗时相同，但随后的存取则会快得多。
传统蜂窝电话使用的易失性存储器是工作速率为70ns的异步装置。随着时间的推移，速率提到55ns(见图2)。更新的特性也要求更大的吞吐量与之适配，从而导致了对能够提高吞吐量的页面模式操作的需求。   
页面模式操作容许基带处理器能以高速缓冲存储器读入周期运行而无需把所有的地址都提取到易失性存储器。页面容量的大小取决于基带控制器的容量大小，一般可在4~16个字之间变化。页面周期通常约为25ns。
随着对易失性存储器要求的提高，同步操作应运而生。同步操作类似于闪存，它使存储器中基带控制器能以更快的周期运行并以流水线存取。同步操作的典型频率为66MHz，该频率容许基带控制器每隔13ns从PSRAM读取一次数据(见图3)。
在多数情形下，同步操作相对于标准异步操作而言，能使性能大幅度提高。使用同步接口，使手机中的存储器运行起来与PC中使用超高速缓冲存储器非常相似，因而使数据传送和编码执行达到更高速率。大多数超高速缓冲存储器的线路填充大小相同，从而实现总线的有效利用和重要性能的显著提高(见图4)。

解决方案
随着时间的推移，用于手机的易失性存储器的解决方案不断变化。最初，手机使用的存储器大多数都是慢速SRAM(约为70ns左右)。速度更高的PSRAM提供与标准SRAM相同的接口，但密度更高，价格更低。
PSRAM用同步接口改装后，能用于2.5G和 3G的大吞吐量手机。CellularRAM PSRAM与6T (MoBL1, MoBL2)早一代异步或页面模式PSRAM (MoBL3)反向兼容。提供同步脉冲性能的CellularRAM可从诸如Cypress、Infineon和Micron等供应商处获得。
  CellularRAM容许基带装置使用现有的闪存接口，而无需更改。它所支持的脉冲协议能与低能耗闪存充分兼容，从而使存储器控制器的设计相对简化。同时，它还推动了所有的高级能量管理进一步增强。将多种特性相结合，对存储和执行编码非常有益。由于采用了实现存储器阵列的高密度DRAM技术，使每比特成本比率大大低于现有的6T-SRAM解决方案。
存储器改进的最后一步就是要改变为低功耗同步DRAM (LPSDRAM)。已经作为“日用品”普遍用作个人电脑主内存的SDRAM并不太关注其能量消耗的多少，它主要关注的是吞吐量。经重新设计，SDRAM能实现以更低的功耗处理更大的吞吐量，正日益为3G手机采用。■  (姚玉坤译)