上世紀90年代中期，英特爾決定把SRAM整合到自己的處理器中，這給世界各地的獨立式SRAM供應商帶來“滅頂之災”。最大的SRAM市場(PC高速緩存)一夜之間銷聲匿跡，只留下少數細分市場應用。SRAM的“高性能存儲器(訪問時間短、待機功耗小)”價值主張因其較高的價格和容量限制(目前的最高容量是288Mb)而高度受限。由于SRAM每個單元有四到六個晶體管，幾乎無法與DRAM和閃存競爭(這兩種存儲器每個單元只有1個晶體管);每個單元的晶體管數越少就意味著板容量和成本越低。因此，對構成98%的市場總額的傳統存儲應用而言，SRAM是一種不切現實的解決方案。
自英特爾開始嵌入SRAM以來，大多數SRAM供應商已經做出相應調整，或關閉工廠，或豐富SRAM之外的其它產品組合。對SRAM的運用則轉向要求高性能的專門應用，主要包括工業、汽車和國防領域。SRAM的整體市場在2002年到2013年間的年均復合增長率(CAGR)為-13%。然而，若認為這種技術已經日薄西山還為時尚早。實際上，由于種種因素的作用，在未來幾年我們預計將會看到長期被冷落的SRAM東山再起。在本文中，我們將探討讓SRAM重獲新生的技術進步以及使之能夠滿足未來需求的SRAM技術發展趨勢。
SRAM回歸主流嵌入式設計
SRAM回歸主流設計的動力非常耐人尋味，力圖取代SRAM的潮流忽然發生逆轉。英特爾決定嵌入SRAM，這在當時是個非常英明的決策。SRAM不僅成本效益更高，而且還是技術一流的解決方案。與外部SRAM相比，嵌入式SRAM的存取時間更為出色，要知道對于高速緩存存儲器而言，存取時間是最關鍵的因素。
自那時起到現在，處理器功能變得更加強大，而且尺寸越來越小。隨著處理器的功能日漸強大，它們要求高速緩存存儲器性能也要有大幅改善。但與此同時，隨著每一代新工藝節點的問世，不斷增大嵌入式高速緩存存儲器的容量成為一項越來越艱巨的挑戰。SRAM擁有六晶體管架構(邏輯區一般為四晶體管/單元)。這意味著隨著工藝節點的縮小，每平方厘米的晶體管數量將會極高。這樣的高晶體管容量可能導致許多問題，包括：
發生軟錯誤的幾率增大：隨著工藝技術從130nm縮小到22nm，軟錯誤率預計將增長七倍。
產量降低：由于晶體管容量增大，加上位單元不斷縮小，SRAM的面積更容易受工藝變化所造成的瑕疵的影響。這種瑕疵會降低處理器芯片的總產量。
功耗增加：如果SRAM位單元必須與邏輯位單元的大小相同，那么SRAM晶體管的尺寸就需要縮小到小于邏輯晶體管。而晶體管尺寸的縮小會導致漏電流增大，最終導致待機功耗增大。
有兩種途徑可以解決這個問題。一種方法是為處理器中或片上系統中的SRAM面積和邏輯面積采用不同的工藝技術節點。但這樣做的后果則是處理器的大部分面積由SRAM構成。如果是這樣，縮小處理器芯片的理由就無法成立。另一種方法則是把SRAM與處理器或控制器分開。有一些技術創新實際上正在加快這種替代方案的實現。
可穿戴電子產品中的SRAM
當今世界的微控制器(MCU)已經廣泛應用于各種設備中。我們現今正在經歷一個重大電子產品發展趨勢，那就是可穿戴電子產品(圖1)。對于智能手表和健康腕帶這樣的可穿戴產品來說，尺寸和功耗是關鍵因素。由于電路板尺寸受限，MCU必須精簡小巧，并且能夠借助便攜式電池提供的微弱電力運行。
圖1：可穿戴電子產品的要求正在推動SRAM的復興
在上述要求下，片上高速緩存的容量相當有限。在將來的幾代產品中，我們預計會看到可穿戴產品的功能將得到進一步豐富。這樣一來，片上高速緩存的容量將不敷使用，從而帶來對外部高速緩存的需求。在所有可用的存儲器中，SRAM是用作外部高速緩存的最佳選擇。因為它與DRAM相比待機電流消耗較低，而且其存取時間也比DRAM和閃存更短。
但是，要裝配到微小的可穿戴產品電路板上，SRAM將需要進一步發展。對現有的并行SRAM而言，存在下列問題：
· 與MCU通信所需的引腳數過多;
· 尺寸過大，不適合PCB。
物聯網和SRAM
過去幾十年里，SRAM領域已衍生出兩個不同的產品線：高速率和低功耗。每個產品線都有著各自特有的功能、應用和價格。需要使用SRAM的設備要么需要它的高速特性，要么需要它的低功耗特性，但從來不是兩者兼具。然而，對采用便攜式電源供電并用以執行復雜操作的高性能低功耗設備的需求正在不斷增長。這種需求背后的動力來自新一代醫療設備、手持設備、消費類電子產品、通信系統以及工業控制器，這些設備均受物聯網(IoT)驅動。
IoT正朝著兩個不同的方向發展：智能可穿戴產品和自動化技術。正如前文我們所討論的，可穿戴產品使用低功耗的小尺寸SRAM最為適合。同時，物聯網的發展還會影響到工業、商業和大規模運營以及個人住宅、大型工廠乃至整個城市的自動化。SRAM采用小型封裝，能夠在降低功耗的同時保持高速性能，其將為IoT應用帶來重要價值。
許多主要廠商提供的微控制器通過諸如深度低功耗(Deep Power-Down)和深度休眠(Deep-Sleep)等特殊的低功耗模式，已經能夠滿足對此類跨界設備的不斷變化的需求。在這些模式下，外設和存儲器模塊也有望節省功耗。因此，要成為IoT設計的優先選擇，SRAM的發展必須能夠讓客戶不必在性能和功耗之間權衡取舍。
SRAM的發展如此之快，很明顯只要獨立式SRAM制造商能夠通過創新讓自己的產品滿足新一代應用需求，激動人心的時刻就在未來等待著他們。SRAM的主要創新領域包括：
縮小芯片尺寸：這要求工藝技術的進步和封裝技術的創新;
減少引腳數量：目前大多數SRAM使用并行接口。市場上的串行SRAM只有低容量產品。需要生產容量更高的串行SRAM;
功耗更低的高性能芯片;
片上軟錯誤校正。
在下面的章節中，我們將介紹SRAM設計的一些關鍵創新，這些設計創新促使嵌入式系統開發人員考慮把SRAM用于嵌入式可穿戴產品、IoT和其它嵌入式系統應用。
芯片級封裝
芯片級封裝(CSP)[4]是一種縮小芯片尺寸的強大技術。根據規格要求(J-STD-012)，要滿足“芯片級”要求，整體封裝部分的面積不能超過晶片面積的1.5倍，并且線性尺寸不能超過晶片尺寸的1.2倍。相比之下，對于采用標準封裝的晶片，整體芯片面積可以是晶片面積的十倍。因此芯片級封裝有助于縮小芯片的尺寸。另外通過壓縮工藝節點也可以實現類似的尺寸縮小。但就SRAM而言，轉而采用較小的工藝節點會帶來風險，具體在上文中已作解釋。
面積的縮小可通過取消第一級封裝來實現，其中包括引腳框架、管芯連接、焊線以及鑄模化合物。CSP芯片大多采用晶圓級封裝，將封裝材料直接堆放在晶圓片上。引腳分布類似于球柵陣列封裝(BGA)，封裝上的焊接凸點起引腳作用。通過縮小工藝節點可獲得類似的尺寸縮小效果。
對于可穿戴應用中空間有限的電路板來說，CSP SRAM明顯將是最佳選擇。與僅次于它的備選方案(購買一塊SRAM管芯，然后使用高級多芯片封裝(MCP)技術將它與MCU管芯封裝在一起)相比，將CSP SRAM納入設計要便捷得多。目前，CSP SRAM還沒有投入量產，有些供應商將其作為定制選項提供，可能是因為目標市場(可穿戴)還沒有超越嵌入式領域。不過在 SRAM 市場中，大多數主要廠商都可為他們的很多其它產品提供CSP選項。例如，賽普拉斯半導體已針對其PSoC等產品系列提供了CSP版本。因此，對于制造商來說，將這種功能延伸至SRAM應該不難。
引腳數更少
在SRAM的功耗低于閃存和DRAM時，使用SRAM進行存儲器擴展的主要問題是其并行接口。盡管并行接口能實現更快的讀寫速度，但有太多的IO需要連接。例如，如果將一個1Mb SRAM (64Kb x16) 與一個MCU連接，所需的IO數量將會是32個(16個地址，16個數據)。進行多路復用可將該數字減少至24。但容量每增加一級(2M、4M、8M等)，引腳數就會增加1個。
極小可穿戴電路板上用來連接SRAM的IO數量有限，因為小型MCU的封裝引腳數量少。要與這些MCU連接，SRAM必須突破傳統的并行接口。串行閃存和EEPROM等的成功增強了串行存儲器選項的市場需求。MCU使用嵌入式高速緩存已有很多年了，因此對于串行SRAM的需求直到最近幾年才被發覺。串行SRAM可實現更便捷的接口連接，更少的引腳使用(單路SPI用兩個，雙路SPI用兩個，四路SPI用四個)。此外，所需的IO數量不會隨容量增加而增多。
目前，我們的串行SRAM容量低，存取速度相對較慢(存取時間達25ns，容量為1M)。在不久的將來，我們將有望刷新這兩個參數。隨著可穿戴產品進入全新時代，我們可能會希望MCU完成更為復雜的工作。在這種情況下，具有更高吞吐量的更高容量高速緩存/高速暫存存儲器會十分有用。因此，串行SRAM向更高速和更高容量的方向發展將對該市場十分有利。使用CSP封裝縮小尺寸再加上串行接口，SRAM將會成為可穿戴產品中高速緩存及高速暫存存儲器的強大選項。
高性能，低功耗
當前有兩個不同系列的異步SRAM：快速SRAM(支持高速存取)和低功耗SRAM(低功耗)。從技術角度看，這種權衡是合理的。在低功耗SRAM中，通過采用特殊柵誘導漏極泄漏(GIDL)控制技術控制待機電流來控制待機功耗。這些技術需要在上拉或下拉路徑中添加額外的晶體管，因此會加劇存取延遲，而且在此過程中會延長存取時間。在快速SRAM中，存取時間占首要地位，因此不能使用這些技術。此外，要減少傳播延遲，需要增大芯片尺寸。芯片尺寸增大會增大漏電流，從而增加整體待機功耗。
到目前位置，典型SRAM應用接受這種權衡：電池供電應用使用低功耗SRAM(降低性能)，有線工業高性能應用則使用快速SRAM。不過，對于物聯網及其它眾多高級應用來說，這種權衡不再適用。主要原因是對于大部分這些應用而言，不僅高性能很重要，同時還必須限制待機功耗，因為這些應用大多采用電池供電工作。非常幸運的是，SRAM正在縮小這兩個系列之間的性能差距，正逐漸發展成具有這兩種優勢的單芯片產品。
微控制器很久以前就有了深度睡眠工作模式。這種工作模式有助于為大部分時間都處于待機狀態下的應用省電。該控制器可在正常工作中全速運行，但事后則進入低功耗模式，以便節省電源。使所連接的SRAM也具有類似的工作模式很重要。具有深度睡眠工作模式[5]的異步快速SRAM是這類應用的理想選擇。這種SRAM芯片有一個附加輸入引腳，有助于用戶在不同的工作模式(正常、待機和深度睡眠)間切換。因此可在不影響性能的情況下管理低功耗。
片上糾錯功能
存儲器工藝技術的提高可改進性能與功耗，因此更低的電壓和更小的節點電容會讓這些器件更容易出現軟錯誤。如今，CMOS 工藝已經縮小了尺寸，地外輻射和芯片封裝都會導致越來越多的故障。一般使用糾錯碼(ECC)軟件或冗余(即多個SRAM存儲相同的數據)方式應對軟錯誤，特別是在可靠性一直都極為重要的系統中，例如醫療、汽車和軍事系統。然而，這種方式非常昂貴，需要額外的電路板空間。
主要SRAM制造商現已開始直接在芯片上實施糾錯特性[6]。要在現代芯片級半導體存儲器上限制軟錯誤影響，可使用兩種架構增強方法：片上ECC和位交錯。通過片上ECC，便可將用于實施錯誤檢測和單個位錯誤校正的軟件硬編碼在SRAM中。有些制造商甚至還提供一個額外的錯誤引腳選項，用以指出單個位錯誤的檢測與校正情況。
另一方便，位交錯可用來限制多位錯誤的影響(即單個能量粒子翻轉多個位)。位交錯的工作方式是將相鄰的位線安排至不同的字寄存器。這樣可將多位錯誤轉換為多個單個位錯誤，隨后可通過片上ECC進行校正(進一步了解如何減少和校正軟錯誤)。
SRAM與未來
SRAM技術將迎來激動人心的全新時代。技術趨勢與發展都有利于該技術回暖，扭轉多年來使用量下降的頹勢。支持ECC功能的芯片現已投入量產。支持片上電源管理的快速SRAM也已上市。此外，串行SRAM也已投入量產，但大多數都支持低容量應用，因此目前在速度上還無法與并行方案相匹敵。不過，串行市場的現有廠商(Microchip和On-semi)恰好主要都是MCU制造商。傳統SRAM公司尚未推出串行SRAM。隨著更多公司進入該市場，我們將有望看到創新技術的快速出現。
關于產品生命周期的傳統市場觀點是：產品成熟期過后就是衰退，然后是消亡。從SRAM每年的負復合增長率以及大多數供應商退出該市場的事實來看，該產品應劃為“衰退”期。然而不管是今天我們目睹的SRAM復興，還是針對未來預測的，都需要我們重新審視普通產品生命周期的傳統理念。
參考資料
1. 維基百科：半導體器件制造
2.《22nm工藝對SRAM內中子引起的軟錯誤的影響》作者：Eishi Ibe、Hitoshi Taniguchi、Yasuo Yahagi、Ken-ichi、Shimbo和Tadanobu Toba
3.《漏電流：摩爾定律遇到靜態功耗》，摘自《IEEE 計算機》2009年1月刊
4. 應用手冊AN69601《賽普拉斯晶圓級芯片級封裝指南》
5. 應用手冊AN89371《賽普拉斯異步PowerSnooze SRAM幫助節省電源》
6. 應用手冊AN88889《用賽普拉斯異步SRAM減少單事件翻轉》
Reuben George在賽普拉斯半導體公司的存儲器產品部從事產品市場營銷工作。他在印度拉賈斯坦邦皮拉尼的貝拉理工學院 (BITS)獲得電氣電子工程學士學位。
Anirban Sengupta現任賽普拉斯半導體公司的定價經理。他分別在印度國家技術學院(National Institute of Technology)和印度普納管理與人力資源開發合作關系中心(SCMHRD)獲得電氣工程學士學位和市場營銷MBA。