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使移动电话存储子系统的功耗降至最低

上网日期: 2006年03月06日 ?? 作者: Odilio Vargas ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:移动电话? 存储? 子系统? 存储器?

随着移动电话向着具有丰富媒体功能的无线平台发展,对功率预算的控制是开发的重点。降低存储器的功耗可以显著延长移动电话的电池寿命。为了降低存储器的功耗,业界使用了两种不同的基于DRAM的存储器架构:本地执行(XIP)和代码映射(Code Shadowing)。本文讨论了这两种存储器架构的特点,并且介绍了新出现的DDR MobileRAM。

移动电话从简单的语音通信设备到奇妙的多功能多媒体设备的持续演进离不开各种半导体和元器件的创新。业界在开发更强大的图形与应用处理器以及集成度更高的灵活的射频模块方面投入了大量精力和物力。为了实现一整天的通话/数据通信时间和多天的待机时间,对功率预算的控制通常是开发的重点。不过,对存储器件的重视程度却往往不够,实际上占总功率预算20%的存储器的功耗相当于应用处理器的功耗。很明显,降低存储器的功耗可以显著延长移动电话的电池寿命。

图1:大多数移动电话仍在使用XIP平台,而新的密集高速处理平台正在向新的代码映射存储器架构发展。XIP的优势包括经典架构(软件不用变化)、较低的功耗和较短的启动时间。而代码映射架构可以提供更好的成本定位和更高的速度(新特点)。

使用CellularRAM和MobileRAM这样的低功率存储器是减少功耗的关键。此外,一种从普通DRAM发展而来的新型存储器架构—双倍数据速率(DDR)MobileRAM充分结合了CellularRAM和MobileRAM中开创的低功耗设计技术和DDR的性能优势,因此能够在提供更高性能的同时降低功耗。

DRAM在个人电脑中已非常普及。作为既便宜又快速的半导体存储器件,DRAM通常和硬盘驱动器连接使用。随着PC从过去的庞然大物发展到今天小巧时尚的笔记本电脑,DRAM也经历了新工艺和电路设计技术的进化,来满足市场对更高密度和更快接口的要求。如今标准的512Mb DDR2已经被用于很多产品。

随着移动电话从以语音为中心应用的设备发展到需要更强大的应用和图形处理器的具有便携式媒体娱乐功能的设备,DRAM进入了一个崭新的时代。移动电话的这些新功能对存储器提出了全新的性能要求,正促使DRAM向脱离过去以PC为中心的架构方向发展。如今移动电话销售量规模之大足以使OEM厂商采用与PC类似的业务模型,包括将DRAM用作低成本的通用存储器。

为了使DRAM成功应用于无线应用中,需要满足尽可能长的电池寿命,并减少存储器占用的系统空间,因此必须要对DRAM进行新的改进。目前可以采用两种截然不同的产品线策略,将基于DRAM的存储器引入无线电话,分别是:CellularRAM对应于本地执行(XIP)存储器架构;MobileRAM对应于代码映射(Code Shadowing)存储器架构。采用这两种架构的移动电话性能预期如图1所示。

图2:整个无线平台功率的很大一部分分配给了存储器子系统

CellularRAM是一种伪静态随机存取存储器(PSRAM),它模仿静态随机存取存储器(SRAM)和NOR闪存接口,这两类存储器用于以语音为中心应用的平台中常见的XIP存储架构中。CellularRAM内含一个隐藏的逻辑电路,可以自动管理DRAM技术所固有的刷新和预充电操作,不需要用户命令。通过这样仿照无线平台中常见的接口,OEM厂商能够快速挖掘出基于DRAM的技术的潜力,作为一种性能得到增强、容量密度从32Mb到128Mb的低成本存储器替代方案。同样,传统无线平台制造商也能通过少量修改,就能利用CellularRAM延长以语音为中心应用的电话原本六到九个月的产品生命周期,并且获得比SRAM更高的性能和密度,并提供比传统DRAM产品更低的待机和工作电流。

CellularRAM的开发融合了DRAM制造商提出的设计创新,包括温度补偿自动刷新(TCSR)、局部阵列自动刷新(PASR)和深度降低功耗(DPD)等许多低功耗特性,同时还能符合新的多芯片封装(MCP)要求。由于具有并行的地址/数据信号机制和NOR闪存器件性能,CellularRAM作为一种伴侣(companion)存储器,正逐渐得到普及,对于空间受限的蜂窝电话平台来说可以便于创建堆叠裸片解决方案。制造商在CellularRAM方面的经验也促成了MobileRAM这种通用DRAM类型的开发。MobileRAM器件将DRAM的内核电压从3.3V降到2.5和1.8V,同时还引入一种新的关键低功率特性:片上温度传感器(OCTS)。

图3:随着向智能电话的发展,最优的工作电流的重要性在不断提高。

DRAM的物理特性要求周期性的刷新数据,以补偿与DRAM存储单元相关的电容放电效应。刷新率被发现是温度的直接函数。当DRAM暴露在较高温度中时,需要提高刷新率,从而导致更高的功耗。一般的经验法则认为,温度每升高15度,刷新率就需要提高一倍。为了尽量减小这种效应,可以使用OCTS自动检测温度,并编程设定最有效的刷新速率,以在成功恢复存储内容同时尽量减小待机电流。

具有更高性能和低功率管理性能的MobileRAM的价值也得到PDA OEM厂商的认同,他们一直试图在不缩短电池寿命的基础上提供最佳的移动计算能力。这还将直接影响智能电话的开发,因为许多OEM厂商已经选用PDA平台作为这些功能强大的“整合式”个人通信器的基础。通过添加RF单元和电话功能,这些PDA平台能够迅速的发展成为全功能的设备。为了满足新的应用处理器和图形单元不断增长的处理能力,同时保持消费类产品要求的低成本,业界还开发出了代码映射存储器技术。

在代码映射存储器中,133MHz的MobileRAM带来的性能优势要超过XIP中工作频率高达80MHz的NOR闪存。为了弥补从易失性存储器执行程序代码所需的冗余存储器,可以选择NAND闪存,因为NAND闪存的每位成本比NOR闪存低,单元尺寸也比NOR闪存小。管理NAND和MobileRAM之间代码的关键软件特性是需求页面调度,它可以根据处理器的预期在存储器之间交换代码/数据页。

图4:通过降低工作电流而不是待机电流可以最显著地降低总的存储器功耗。

为了选择正确的存储器元件和存储器架构,需要深入理解XIP和代码映射之间存在的功耗区别。可以通过功率分析确定存储器子系统对整个无线平台功耗的影响。有关分析结果(见图2)表明,存储器子系统是移动电话中功耗第三大的部件。由于存储子系统需要消耗较大的电力,因此了解如何根据应用要求正确使用存储器非常重要。

以语音为主要应用的电话和新兴的智能电话是两大重要的市场领域,每个领域在待机、通话和应用模式使用之间都有其自己独特的要求(见图3)。除了用作语音设备外,朝着能够执行多任务(如用作MP3播放器、互联网浏览器和视频/照相机等)的平台发展是明显的趋势。这些新的应用要求能比以往更好地发挥存储器子系统性能,而具有代码映射功能的MobileRAM完全能够满足这一要求。

采用CellularRAM后,重点放在以性能损失为代价降低待机电流方面。虽然智能电话平台对存储器子系统有很高的要求,但牺牲快速接口也是不允许的。为了确定减少待机电流或工作电流对代码映射存储器架构的总体功耗的影响大小(见图4),又进行了一次研究。很明显,减少工作电流对总体功耗的影响要比降低待机电流大的多,因为工作电流大小是毫安级的,而待机电流只有微安级。因此着重降低工作电流是降低总体功耗的关键要素,因为智能电话的存储器子系统处在工作模式的时间要比以语音为主的电话平台更多。

图4:通过降低工作电流而不是待机电流可以最显著地降低总的存储器功耗。

智能电话制造商已经认识到,使用MobileRAM下一代平台的优势就是测试DDR MobileRAM产品带来的更多好处。除了降低工作电流外,与采用SDRAM接口的MobileRAM相比,新的DDR MobileRAM接口能够减少实现相同读/写操作所需的时间。由于传感电流的加倍而造成DDR MobileRAM工作电流的稍稍增加可以被缩短的命令执行时间所抵消(见图5)。因此在不缩短电池寿命的基础上提高未来无线平台的系统性能更加有可能。

无线领域中引入CellularRAM和MobileRAM产品后可以在移动通信环境中体现DRAM存储器的成本效益(通过PC中使用的大批量通用DRAM获得)。在传统或下一代无线平台中使用DRAM存储器的灵活性,并且能够满足低功率管理和空间受限要求验证了DRAM在这些新兴应用市场的有效性。

图5:采用了DDR MobileRAM后,由于工作模式持续时间减短,即便工作电流有稍许增加,但对于实现随机“读”(8个字长)命令来说,仍可以节省12%的功耗。

作者:Odilio Vargas

产品行销经理

英飞凌科技存储器产品集团消费与移动业务部






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