作者Farzad Zarrinfar，Mentor Graphics公司
嵌入式存儲器IP介紹
在傳統(tǒng)的大規(guī)模ASIC和SoC設(shè)計中，芯片的物理空間大致可分為以下三部分：
用于新的定制邏輯
用于可復(fù)用邏輯(第三方IP或傳統(tǒng)的內(nèi)部IP)
用于嵌入式存儲
如圖1所示，當(dāng)各廠商為芯片產(chǎn)品的市場差異化(用于802.11n的無線DSP+RF、藍(lán)牙和其他新興無線標(biāo)準(zhǔn))而繼續(xù)開發(fā)各自獨有的自定義模塊，第三方IP(USB核、以太網(wǎng)核以及CPU/微控制器核)占用的芯片空間幾乎一成未變時，嵌入式存儲器所占比例卻顯著上升。
圖1：當(dāng)前的ASIC和SoC設(shè)計中，嵌入式存儲器在總可用芯片空間中所占比例逐漸升高。
Semico Research 2013年發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，大多數(shù)SoC和ASIC設(shè)計中，各式嵌入式存儲器占用的芯片空間已超過50%。此外，許多大規(guī)模SoC嵌入式存儲器的使用目的和主要性能也各不相同，如圖2所示。
圖2：多核SoC的各種嵌入式存儲器IP
由于可以根據(jù)設(shè)計目的，通過采用正確的SoC存儲器類型來優(yōu)化設(shè)計，因此，對于設(shè)計師來說，利用各種存儲器IP具有非常重要的意義。設(shè)計師可通過恰當(dāng)分配各種存儲器IP所占比例，實現(xiàn)速度、功耗、空間(密度)以及非易失性等各種性能參數(shù)的優(yōu)化。
嵌入式存儲器的主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)
各種應(yīng)用設(shè)計中，最佳存儲器IP的確定主要基于以下5個驅(qū)動因素，如圖3所示：
1功率
2速度
3可靠性/良率
4密度
5成本
圖3：確定存儲器IP的主要因素
通過對上述各性能決定要素進(jìn)行權(quán)衡，可得到最優(yōu)解決方案。許多情況下，存儲器編譯器可根據(jù)輸入存儲器設(shè)計生成流程中的各種驅(qū)動因素，自動生成性能經(jīng)過優(yōu)化的特定存儲器IP。同樣重要的是，存儲器IP的支持性結(jié)構(gòu)應(yīng)適用可靠的驗證方法，且生成的IP良率最高。最后，為實現(xiàn)產(chǎn)量與質(zhì)量的最優(yōu)化，存儲器編譯器還應(yīng)直接生成GDSII，無需人工干預(yù)或調(diào)整。其他要素還包括良好的設(shè)計余量控制、對自動測試圖形向量生成和內(nèi)建自測試(BIST)的支持。此外，最好具備通過BIST的單步執(zhí)行進(jìn)行硅片調(diào)試的功能。
功率
強大的編譯器加之先進(jìn)的電路設(shè)計，可極大地降低動態(tài)功耗(CV2f)，并可通過利用多芯片組、先進(jìn)的計時方法、偏置方法、晶體管Leff特征控制以及多重供應(yīng)電壓(VT)優(yōu)化等技術(shù)最大限度地降低泄露功率。設(shè)計師可綜合運用這些存儲器技術(shù)，通過電壓和頻率的調(diào)整以及多電源域的利用，得到最理想的結(jié)果。
速度
為獲得一流的存儲器性能，先進(jìn)設(shè)計技術(shù)的充分利用至關(guān)重要。設(shè)計師可利用存儲器編譯器對速度(比如存取時間或循環(huán)時間)、空間、動態(tài)功耗以及靜態(tài)功耗(泄露功率)等因素進(jìn)行權(quán)衡，得到所需要的最優(yōu)組合。在通過多種VT技術(shù)、多芯片組以及多種存儲單元等的綜合選用，改進(jìn)存儲器塊的同時，輔以節(jié)能設(shè)計技術(shù)，同樣可以獲得較高速度。
可靠性與良率
晶體管體積和能耗的大幅下降，雖然使噪聲容限明顯減小，但也對極深亞微米芯片的可靠性帶來了影響。因此，為提高良率，改善運行的可靠性，需采用ECC和冗余技術(shù)。
由于今天SoC的位元數(shù)已十分龐大，因此，嵌入式存儲器便成為了決定SoC良率的最重要因素。在提高存儲器良率方面，由于可減少批量生產(chǎn)時間，控制測試與修復(fù)成本，因此專有測試與修復(fù)資源具有重要作用。采用一次可編程存儲技術(shù)制造的存儲器IP，在芯片制造完成后，發(fā)生存儲信息失效時，其內(nèi)置自修復(fù)功能便可對存儲器陣列進(jìn)行修復(fù)。理想情況下，為在生產(chǎn)測試過程中，快速進(jìn)行修復(fù)編程，存儲器編譯器的修復(fù)功能需與硅片測試工具緊密集成。
對于設(shè)計師來說極其重要的是，可根據(jù)需要選擇由晶圓代工企業(yè)制造位單元，或者進(jìn)行自我設(shè)計。需進(jìn)行定制設(shè)計時，與理解定制設(shè)計且可為各流程節(jié)點提供硅片數(shù)據(jù)的嵌入式存儲器供應(yīng)商進(jìn)行合作，具有極大的幫助作用。有了先進(jìn)的設(shè)計技術(shù)，即使不需要額外的掩膜和流程修正，亦可最大限度地提高良率和可靠性。
密度
在存儲器IP的選擇上一個重要的考慮因素是，能否為各流程節(jié)點選擇不同的存儲器密度。先進(jìn)的存儲器編譯器允許設(shè)計師在密度與速度之間進(jìn)行權(quán)衡，比如，是選擇高密度(HD)位單元還是選擇高電流位單元。
設(shè)計師還可借助靈活的列多路復(fù)用等功能，通過控制存儲器占用形狀(可變寬度、可變高度，或正方形)，優(yōu)化SoC布局規(guī)劃，進(jìn)而最大限度地減小存儲器對芯片整體大小的影響。部分存儲器編譯器還支持sub-words(位和字節(jié)可寫)、功率網(wǎng)格生成等功能，可最大限度地優(yōu)化功率輸出。此外，靈活的端口分配(一個端口用于讀或?qū)?，第二個端口用于讀和寫)亦可節(jié)省SRAM、CAM和寄存器文件的占用空間。
兩種嵌入式存儲器IP架構(gòu)的密度關(guān)系如圖4所示。與6晶體管(6T)位單元相比，位容量一定時，單晶體管(1T)位單元最多可減少50%的芯片空間。在設(shè)計中，對速度要求較低而密度要求較高時，1T式架構(gòu)是較為理想的選擇。由于可采用批量CMOS流程，省卻了額外的掩膜環(huán)節(jié)，因而有益于成本壓縮。在高速應(yīng)用方面，設(shè)計師可采用6T甚至8T位單元來滿足其速度要求。
圖4：存儲器密度與不同嵌入式存儲器IP架構(gòu)的比例關(guān)系
