如何選擇最適用的SRAM存儲器

SRAM（靜態隨機存取存儲器）是一種只要在供電條件下便能夠存儲數據的存儲器件，而且是大多數高性能系統的一個關鍵部分。SRAM具有眾多的架構，各針對一種特定的應用。本文旨在對目前市面上現有的SRAM做全面評述，并簡要說明就某些特定用途而言，哪類SRAM是其最佳選擇。 SRAM從高層次上可以劃分為兩個大類：即同步型和異步型。同步型SRAM采用一個輸入時鐘來啟動至存儲器的所有事務處理（讀、寫、取消選定等）。而異步型SRAM則并不具備時鐘輸入，且必須監視輸入以獲取來自控制器的命令。一旦識別出某條命令，這些器件將立即加以執行。
 
　　同步SRAM家族分類
 
　　與某一特定應用相適應的最佳SRAM的選擇取決于多個因素，其中包括功率限制、帶寬要求、密度以及讀/寫操作模式等。可滿足不同系統要求的同步型和異步型SRAM多種多樣，本文將逐一加以說明。
 
　　各種同步型SRAM比較
 
　　同步型SRAM于上個世紀80年代后期首度面市，最初是面向具有極高性能的工作站和服務器中的第二級（L2）高速緩沖存儲器應用。進入上個世紀90年代中期之后，它又在較為主流的應用（包括個人電腦中的第二級高速緩沖存儲器）中尋覓到了自己的用武之地。自那以后，在包括高性能網絡在內的眾多應用的設計中，同步型SRAM大行其道（在這些應用中，它們通常被用于數據緩沖器、高速暫存器、隊列管理功能和統計緩沖器）。
 
　　同步型SRAM又可以采用多種不同的架構。下文將對某些“主流”的器件做簡要說明。
 
　　1：標準同步型SRAM
 
　　標準同步型SRAM是被“主流應用”所接納的第一種同步型SRAM。這些器件雖然主要面向PC L2高速緩沖存儲器應用，但也滲透到了非PC應用領域中，比如網絡、電信、數字信號處理（DSP）以及醫療和測試設備。其中，標準同步型SRAM具有兩種基本格式：流水線型和直通型。兩者之間的差異是：直通型SRAM僅在輸入端上具有寄存器，當地址和控制輸入被捕獲且一個讀存取操作被啟動時，數據將被允許 “直接流”至輸出端。當用戶對初始延遲的重要性考慮超過對持續帶寬的考究時，人們往往優先采用直通型架構。“流水線型”同步SRAM同時擁有一個輸入寄存器和一個輸出寄存器。流水線型SRAM所提供的工作頻率和帶寬通常高于直通型SRAM。因此，在需求較高寬帶，而對初始延遲不是很敏感時，人們常常優先采用流水線型SRAM。
 
　　2：NoBLTM（無總線延遲）型SRAM
 
　　有些應用不允許“等待狀態”。比如網絡應用中“等待狀態”有可能對性能產生嚴重的影響。為解決該問題，賽普拉斯公司推出了無總線延遲（NoBL）型SRAM。NoBL型SRAM與標準同步型SRAM很相似，但是擁有附加的片上邏輯電路，旨在完全消除標準同步型SRAM系列所需的“等待狀態”。通過消除這些“等待狀態”，此類SRAM能夠實現100[%]的總線利用率（絲毫不受讀/寫模式的影響）。該功能極大地改善了存儲器性能，尤其是當存在頻繁的讀/寫操作變換時。
 
　　NoBL型SRAM也存在兩種版本：直通型和流水線型。直通型NoBL SRAM始終具有一個單周期偏移，而NoBL流水線型SRAM則保持了一個雙周期偏移。
 
　　3：四倍數據速率（QDRTM）型SRAM
 
　　盡管推出了NoBL型架構并使性能較之標準同步型SRAM有所改善，但某些系統對性能有著更高的要求。于是，賽普拉斯、Renesas、IDT、NEC和三星等幾家公司聯合開發出了QDR型SRAM。QDR架構旨在滿足那些要求低延遲且所需帶寬明顯高于NoBL型架構提供能力的“高帶寬需求型”系統的需要。 QDR型SRAM與NoBL型SRAM最為顯著的差異之一是前者的讀端口和寫端口是分開的。這些端口可獨立工作，并支持并行的讀和寫事務處理。QDR型 SRAM能夠以DDR傳輸速率（2倍）來支持兩項同時出現的事務處理，四倍數據速率（QDR）的名稱便是由此得來的。
 
　　QDR型SRAM具有兩種基本類型：即2字脈沖串和4字脈沖串。這兩種類型之間的差異在于每項事務處理過程中所支持的脈沖串長度。
 
　　4：QDR-II型SRAM
 
　　QDR- II型SRAM與QDR型SRAM相似，但在性能方面進一步提升。與相同頻率的QDR型器件相比，QDR-II型SRAM所產生的總數據有效窗口面積大了 35[%]左右。另外，QDR-II型SRAM產品還比QDR型器件多了一個半延遲周期。這增加的半個時鐘周期可在對初始延遲影響極小的情況下提供高得多的頻率和帶寬。
 
　　5：DDR型SRAM
 
　　如果QDR型SRAM面向的是具有平衡讀/寫模式的應用，DDR型SRAM架構則主要針對那些需要進行數據流式傳輸（例如，后隨多項寫操作的多項讀操作）、且所需帶寬遠遠高于標準同步型器件或NoBL型器件的應用。DDR型SRAM具有出眾的整體總線利用率以及高得多的總帶寬，性能也因此得到了最大限度的提升。
 
　　和QDR型SRAM一樣，DDR型SRAM也有兩種格式：即2字脈沖串和4字脈沖串。究竟選擇哪一種取決于所需的數據顆粒度以及存儲器的數據總線寬度。
 
　　各種異步型SRAM比較
 
　　第二大類SRAM為異步型SRAM。那些不具備時鐘輸入的SRAM便是異步型的。在這些器件中，讀操作和寫操作將在器件接收到指令之后立即被啟動。
 
　　采用異步型SRAM最大的優點之一是它們擁有長達幾十年的使用歷史并已為人們所充分了解。由于異步型SRAM已經面市很久了，因此許多標準處理器都包含了業已配備異步型SRAM接口的存儲控制器，從而最大限度地減少了所需的設計工作量。異步型SRAM的典型存取時間為8ns（或更長）。因此，它們一般應用于時鐘頻率為100MHz（或更低）的系統中。異步型SRAM可被進一步劃分為兩種主要類別：即快速異步型SRAM和低功耗異步型 SRAM（MoBLTM）。
 
　　1：快速異步型SRAM
 
　　存取時間為35ns（或更短）的異步型SRAM可被歸類為“快速”異步型SRAM。這些存儲器通常應用于老式系統中，且功耗較高（1/2W或更高是司空見慣的）。其典型應用包括老式PC L2高速緩沖存儲器、高速暫存器以及工業應用中的緩沖存儲器。
 
　　2：MoBLTM低功耗異步型SRAM
 
　　有些應用（例如移動電話）對功耗的關注程度要超過對性能的關注程度。因此，制造商（比如賽普拉斯公司）推出了功耗極低的SRAM系列。賽普拉斯的 MoBL（意指“更長的電池使用壽命”）低功耗異步型SRAM產品庫匯集了多款典型存取時間約為40ns（或更長）并專為實現低功耗而優化的器件。典型待機功耗可低至10μW（或更低），而運行功耗則可低至30mW（或更低）。這些器件的存儲密度各異，從64Kb到16Mb一應俱全。
 
　　偽SRAM（亦即PSRAM）
 
　　如果需要16Mb以上的存儲密度，則PSRAM（或稱偽PSRAM）是一種可行的解決方案。所謂偽SRAM是指一種具有一個DRAM存儲器內核和一個 “SRAM型”接口的存儲器件。由于PSRAM使用了一個DRAM內核，因而也需要進行周期性的刷新，以便保存數據。但不同的是，標準DRAM的刷新控制是在器件外部進行的，而PSRAM則具有一個“隱式”刷新電路，這使得它們能夠被容易地用作其他異步型SRAM的存儲密度升級型器件。
 
　　結論
 
　　在選擇SRAM時，您會面對眾多的選擇方案。在某些場合，選擇是有限的。許多已經確立了自己穩固地位的處理器都包含了支持特殊SRAM架構的存儲控制器。新型處理器的設計則更靈活。為了決定最佳的可選方案，至關重要的是確定存儲器子系統（即兆比特每秒、初始延遲、運行功耗、待機功耗、成本等等）的優先級以及系統的工作特性（讀/寫操作模式、工作頻率等等）。
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　　網絡應用往往具有接近50/50的讀/寫模式，它適合于采用QDR系列的解決方案。其他應用（甚至是同一個系統內的功能電路）則往往具有不平衡的讀/寫模式，這就適合于采用公共I/O架構，包括標準同步型、NoBL型和DDR型。
 
本文關鍵詞: SRAM

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