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创新存储如何满足“既要、又要、还要”的苛刻设计需求

作者: 时间:2024-05-15 来源:EEPW 收藏

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。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202405/458739.htm

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。

1从1. V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1.8 V 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1.2 V SoC和外部1.8 V Flash,确保各自器件获得正确的供电电压。

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图1 1.2 V SoC通过增加升压电路与传统1.8 V Flash进行通信

在这样的背景下,的1.2 V SPI NORFlash——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。

2 多维度创新设计,让读写功耗大幅降低

正是基于设计的复杂性及成本降低的考虑,1.2 VSPI 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。

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

值得一提的是,GD25UF 产品系列在1.2 V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1.8 V NOR Flash,1.2 V 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120MHz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。

3 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1.8 V核心供电、1.2 V 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128 Mb、256 Mb、512 Mb、1 Gb、2 Gb 等多种容量可供选择。

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图2 采用GD25UF 1.2 V 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,1.2 V 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480Mbps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。

3 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1.8 V核心供电、1.2V IO接口架构独特的NORFlash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。

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

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。

4 多年持续开拓,引领发展新趋势

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NOR Flash全球市场占有率排名第三的芯片厂商,Flash累计出货量超212亿颗。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3×3×0.4mm的FOUSON8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SPINAND 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。

(本文来源于《EEPW》2024.5)



关键词: 202405 存储 兆易创新

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