谈到设计存储器时，没有哪种规格适合所有人。而且，考虑到大量的内存类型和使用场景，系统架构师必须非常清楚他们的应用的系统需求。

首先需要决定的是，是将存储器置于逻辑芯片上，作为SoC的一部分，还是将其作为片外存储器。

eSilicon公司业务和企业发展副总裁Patrick Soheili表示：“延迟和吞吐量的折中至关重要，而且功耗成本巨大。每次你从一个平面移动到另一个平面时，它的系数是100X。这也适用于片上存储器vs片外存储器。如果你能挨个芯片地把它连在一起，那就最好了。”

出于上述原因和其他原因，芯片制造商的第一选择是在逻辑芯片上放置大量的RAM或flash。但在大多数情况下，这还不够。即使是过去被定义为带有片上存储器的处理单元的微控制器，也已经开始为高端应用添加片外辅助存储器。

Cadence公司DDR、HBM、flash/storage和MIPI IP的产品营销总监Marc Greenberg表示：“如果逻辑芯片上的存储器大小超过了可以较低价格生产的界限，使用片外存储器显然会是更好的选择。多个制造商都有基于SPI（串行外设接口）总线的一系列低成本、低功耗的存储器，包括汽车速度等级的存储器。SPI总线正在提高速度并增加宽度。”

事实上，Cadence看到了很多对200MHz的Octal-SPI IP接口的需求——包括控制器和PHY芯片。

为了更好地理解人们如何看待汽车或其他应用中存储器的功耗设计，我们不妨后退一步，试着去了解存储器的速度和功耗同整体带宽的关系。Synopsys公司DesignWare Analog和MSIP解决方案事业部高级市场总监Navraj Nandra表示：“在应用需求方面，当人们在提升微处理器/CPU性能时需要同步提升存储器容量和存储器带宽。但即使这是应用所要求的，你也很难二者同时兼得。”

存储器中需要在带宽、延迟、功耗、容量和成本之间找到平衡点。Nandra表示，工程师有时会忘记成本部分，但是它推动了很多决策点。

必须考虑存储器的容量和速度，每种存储器都有不同的折中。如果应用是由速度或吉比特每秒的带宽驱动的，那么HBM可能是一种方法，因为它比DDR存储器的带宽要高得多。如果应用以容量问题为主，例如存储器接口可容纳多少GB的存储空间，那么DDR可能是更好的选择。

Nandra表示：“DDR提供容量，HBM提供带宽。如果问题是关于功耗的问题，那么低功耗DDR比HBM或GDDR更好。使用GDDR或HBM可以获得更高的性能。使用DDR和LPDDR可以省电。”

嵌入式存储器

如果存储器作为SoC的一部分，那么则需要在架构上多加考虑。

ARM公司的研究员Rob Aitken表示：“如果你考虑泄漏功耗，例如，SRAM的泄漏主要是位单元。外围也有所贡献，但你可以在设计过程中忽略它。如果你有一定数量的位单元，就会有一定的泄漏，所以你必须从那一点开始并解决它。有一些电路设计技巧可以让你摆脱其中的一些问题，这通常是以牺牲性能为代价的，而这往往这取决于你有多大的决心，。其中一些包括对各种描述进行有效的偏置或功率控制，以及上述方法组合使用，以此来减少泄漏功耗。”

在这一点上，很重要的一点是要理解，如果需要一定数量的位，并且存在这么大的泄漏，系统架构师必须找出哪些配置最适合他们的各种存储器。Aitken表示：“考虑的因素包括位线长度等。一般来说，位线越短，存储器越快。这是因为SRAM读取的工作方式，本质上，单个位单元必须释放位线，当它释放的电荷足够时，读出放大器会触发，并说，‘哦，这里有一个信号。’因此，需要释放的位线越多，所需要的转换时间就越长。”

幸运的是，对于任何给定的内存配置，我们可以在一系列可能性中做出选择。

Aitken解释说：“我可以拥有很多短位线或少量较长位线的存储器，而这些字数和位数仍然完全相同。这就是这些列在存储器中的排列方式。所以这个架构层次可以实现，存储器生成器器可以让你做到这一点。你可以边玩边说，‘我希望使用8列多路复用器’，即8位线到每个输出位，因为它提供了速度和功耗的良好平衡。或者你可以说，这实际上比你需要的速度快，所以你可以使用4列多路复用器，因为它提供了更好的功耗和良好的速度。作为一名SoC架构师，你会经历这种实验，看看最佳实现方式是什么，而且它们也会以不同的形式融入到平面布置图中，因为其中一些更偏向正方形，有些更偏向矩形。”

成本很重要

虽然功耗在一段时间内主导了许多设计决策，但成本是这个等式中的另一个关键因素。

Aitken表示：“从存储器的角度看，你在考虑是否想要更多的面积，这相当于更高的成本。有一些二阶折中方案对于大容量存储器很重要，比如位单元面积与外围面积的比例。一旦你选择了一个比值，位单元区域就基本上固定了。但是它的周边区域可以变得更大或更小，这通常会使它更快或功耗更低。当你这样做的时候，是否会给SoC增加成本，取决于你有多少个给定的对象。通常，当你观察SoC时，有几个非常大的对象支配该区域，因此周边区域或性能的小改动会对这些对象产生巨大的影响。有很多对象并不重要，即使它们的大小翻倍，也没有人会注意到。其次，还有另一类型通常是体系结构中的较小但很重要对象，这些对象具有某种最终性能要求、或超低电压、或芯片的某些重要方面。在这些情况下，面积和成本通常不那么重要，更重要的是它需要符合速度标准、或泄漏功耗标准、或任何其他主导标准。”

汽车市场的优先考虑因素

这在汽车市场尤其重要，因为成本是决定使用哪些组件的关键因素。

Rambus公司产品管理高级总监Frank Ferro表示：“功耗很重要，但在其他一些市场上，它并没有成为一个超级关键因素。功耗对每个人来说都很重要，但汽车系统实际上是成本与带宽之间的折中。如果我必须对它们进行排名，我会说性能和价格不分上下，而功耗则远不及前两者重要。”

汽车是当今芯片设计的热门市场之一。对于自动驾驶汽车而言，正在汽车中部署的传感器的数量正在迅速增加，而对于一辆汽车来说，要做到不同程度的驾驶员辅助功能，需要把多个传感器获得的数据输入到复杂的逻辑电路中加以处理。由于需要处理的数据量很大，因此在使用视觉和雷达的情况下，这些数据将通过传感器网络进行传输。

Ferro表示：“芯片制造商正在研究能够处理高于100 Gbps或更高带宽的存储器系统，这样可以适用于不同级别的驾驶辅助汽车，并最终实现自动驾驶汽车。为了做到这一点，存储器选择的数量开始缩减，以便为你提供必要的带宽来处理所有即将进入的数据。”

Ferro表示：“早期的ADAS系统设计包括DDR4和LPDDR4，因为这些是当时可用的。两者都有优点和缺点。DDR4显然是最便宜的选择，而且应用在产量最高的产品中。它们当然非常划算，而且工程师非常熟悉它们。在DDR4上进行错误校正更简单，也更容易理解。当然LPDDR4也是一个可以使用的选项。”

展望未来，Ferro希望各种类型的存储器能够共存于不同的系统中。“如果他们偏重成本导向，那么他们将会关注DDR，甚至是LPDDR4。但如果他们偏重带宽导向，那么他们将会关注像HBM或GDDR之类的东西。这实际上是你在架构设计阶段中所做的事情。有不同的ADAS级别以及系统和时间表所需的级别，因为出货时间很重要。如果你今年有一个系统出货，它的解决方案将会不同于明年或后年开发的系统。这些就是我们在上市时间和成本上所需要考虑的事情。”

其次，在高性能方面，从系统设计的角度来看，带宽与功率的折中是关键挑战。Ferro表示：“如何以合理的功耗和面积预算获得更大的带宽？例如，如果你拥有HBM，从功耗和面积的角度来看，它非常高效，因为它使用3D堆叠技术，所以从功率效率的角度来看，HBM非常棒。从面积的角度看，HBM堆叠占用了相对较小的空间，因此从功耗性能角度来看，这是一个非常好的解决方案。你可以获得很高的密度，你可以在一个小面积内获得强大的性能，而且功耗很低。”

其他人对此表示同意。三星公司HBM产品营销经理Tien Shiah表示：“GDDR在GPU上比DRAM快，但HBM没有比较过。HBM是使用微孔栅格阵列的最快存储器形式。您可以拥有4个或8个高堆叠，它可以提供1024个I/O，超过8个通道，每个通道128位。这是标准显卡的I/O总线宽度的四倍。每个引脚可以达到2Gbps，在1.2V时可达到2.4Gbps。”

图1：三星的HBM2 DRAM 5  （来源：三星）

外部存储器的吞吐量非常高。但在这里，主要需要权衡各种开销。

Ferro表示：“你将为HBM付出更多的钱，所以如果你能承担高成本，这是一个很好的解决方案。如果你无法承受高成本，那么其他公司正在考虑的是，他们能在一块电路上挤进多少DDR或LPDDR，并将它们并排放置，试图用更传统的解决方案来逼近某些HBM的性能。”

看懂存储器

由于存储器市场服务有许多不同的应用，所以在设计中清楚地了解如何合理的使用存储器是很困难的。了解各种可选方案将对此有所帮助。

西门子公司Mentor事业部的IP部门的董事总经理Farzad Zarrinfar表示：“基本上，你可以观察自己的芯片，然后设想它可以用于几个关键的垂直市场。一些垂直市场可能是智能手机、高性能计算、汽车、物联网、虚拟现实、混合现实等等。你会发现芯片技术是不同的。没有一种芯片技术能解决所有问题。例如，物联网对功耗和成本敏感，人们可以利用超低功耗的40nm或28nm的工艺，如ULP或HPC+。这对于如何选择正确的存储器？

物联网来说非常合适。而在汽车行业，使用28nm及以下工艺生产的芯片需求量很大。”

内存综合器（Memory Compiler）的选择是另一个难题，大多数存储器提供商都为它们的存储器产品提供综合器。Zarrinfar表示：“智能综合器可以帮助提供解决方案，因为它可以根据不同的需求进行优化。例如，某些应用可能需要超低动态功耗，而汽车则有自己的要求，而且我们在这里唯一的不变就是变化。行业正在发展。对于安全性，温度等级以及其他一些考虑事项，有着非常明确的要求。”

所有这些需求都会影响存储器设计，而这正是工程团队需要考虑的。

Zarrinfar表示：“当我们设计存储器的时候，我们有特定的目标，可能是+125℃或+150℃的环境，这可以转化为结温。我们有基于目标市场的市场需求文档。然后我们知道我们需要什么样的设计。然后你需要有来自半导体代工的模型，规定我们拥有的模型的范围。汽车温度迫使半导体代工厂增加传统的工作温度范围。虽然不是每个流程节点和类型都支持每种模型的每个替换，但必须进行充分的验证，以确保各种组合能够达到预期的结果。”

最后，预计对存储器更大带宽、更少延迟、更低功耗和更低成本下的更大容量的需求的将会不断增加。面对着今天各种可用的存储器类型，无论是独立的存储器芯片的还是嵌入式存储器，系统架构师必须随时改进理想存储器方案的选项，以适应特定的应用场景。

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