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可攜式應用中快閃記憶體讀寫功耗之比較與元件選擇

上網時間: 2002年01月26日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Flash memory 快閃記憶體  energy consumption 功耗  read cycle 讀周期  write cycle 寫周期  erase energy 擦除功耗 

所有的快閃記憶體晶片在許多技術規格上看起來幾乎相同,但這並不意味著它們真正就是相同的。許多設計工程師並不清楚,許多類似的快閃記憶體晶片,其功耗卻有著極大不同。

設計工程師經常將術語‘能量’與‘電池壽命’混用。一個成功的設計師他必須更多考慮功耗問題而不是能量問題,這是因為電池所供應的能量是有限的,即使一個電池所供應的能量在電池使用過程中產生大幅變化,這種能量也還是有限的。

這?採用已有的數據清單對幾種規格大致相同的快閃記憶體元件進行一下有關方面的比較。為公平起見,此次比較選用了簡單的4Mb,90ns位元組寬的晶片。所有元件的工作電壓都在2.7伏到3.6伏之間。分析數據是根據最大額定值的比較得出的。這種方法很簡單,要縮小比較範圍只需花幾分鐘即可。

由於讀取時間通常是元件的關鍵選擇準則之一,所以在讀取時間的選擇上,所有元件幾乎沒有什麼差別。此處假設所有元件的工作電壓相同。這種情況下,這些元件的唯一不同之處就是讀電流消耗。但由於絕大多數元件的讀電流相當類似,設計師還能進行什麼比較以進行更有效的選擇呢?

當今商用的許多種快閃記憶體的規格都大致相同,其讀功率和讀周期也非常相似。除寫周期和擦除周期功耗差別相當大外,這些快閃記憶體的其它特性幾乎相同。

當設計師僅關注功耗時,他們會認為各快閃記憶體晶片寫周期的差別也相當小,然而一旦考慮到功耗問題,其差別就非常大了。在這次功耗比較中,電壓依舊保持?定。而試驗結果表明這些晶片中的最高寫周期電流和最低寫周期電流分別為55mA和20mA,最大相差不過兩倍多,由此看來各晶片功耗間的差別似乎也會與寫周期電流的差別大致相當。但是,要注意到,此比較忽略了時間因素,而時間因素在總功耗的計算中是非常關鍵的因素。

那麼寫作業會花費多長時間呢?由於不同的快閃記憶體晶片會採用不同的方式進行寫作業,為公平評價,這?採用重寫整個晶片的方式進行比較。結果顯示,最慢的晶片大約需花30秒鐘重寫整個晶片,而最快的晶片只需花費10秒鐘左右,最大差別仍然僅為3倍而已,差距並非很大。但是,測試過程中有一個有趣的現象,即在所測試的主流晶片中,寫電流最大的晶片其寫時間也最長。

當將寫作業時間乘以消耗電流和相應的電壓時,就會得出這樣一個結果,即功耗最高晶片的寫功耗為4.9J,而功耗最低晶片的寫功耗僅為0.6J。由此可以看出,儘管這些晶片的寫電流和寫時間的最大差別不過2至3倍,但高、低功耗晶片間的寫功耗差別卻相當大,超過了8倍,而這些晶片其他方面的差別甚小。圖1給出了三個例子。

擦除功耗

每當新數據寫入一個扇區時,快閃記憶體都必須進行擦除。同寫功耗相比,晶片間擦除功耗的差別更大,而其擦除電流和擦除時間的差別要大大小於相應的擦除功耗,這一點同晶片間寫電流和寫時間的差別類似。

這些晶片中的最高擦除電流為45mA,最低擦除電流為20mA,最大差別仍不過兩倍多一點。而擦除時間(為公平起見,這?依然採用擦除整個晶片的方式)在40秒至0.1秒之間,由此可見擦除時間的差別非常大,最大相差400倍。

結果也顯示出擦除電流最高的晶片其擦除時間也最長,擦除電流最低的晶片其擦除時間也最短。這意味著功耗最高晶片和功耗最低晶片的擦除功耗分別為5.4J和6mJ,相差竟達900倍。圖1c對此給出了說明。

為什麼一定要如此費力地藉由比較整個晶片的寫和整個晶片的擦除來保証測試的公平性呢?這是因為在擦除周期和寫周期過程中,還有一個因素需要考慮,這個因素會大大改變寫和擦除作業的功耗,它就是扇區大小。

某些快閃記憶體採用較小的擦除扇區,最初可能僅僅是為了解決快閃技術本身的某些難題。但不管怎樣,在快閃記憶體中若不首先進行擦除,位元組是一個也無法寫入其中的。但擦除不能僅僅只擦除一個位元組,而是整個扇區都必須進行擦除。那麼小擦除扇區當然比大擦除扇區更為適宜。但這只是採取小擦除扇區的一小部份原因。

當只有一個位元組需變更時,包含此位元組的整個扇區內容都必須讀入某個緩衝區並同新數據位元組合併起來。而且在新數據回寫之前,原扇區必須擦除(見圖2)。這種情形在使用快閃記憶體時經常會遇到,不容易解決。通常採用的方法是將數據轉移到一個SRAM上,此SRAM在扇區進行擦除時充當一個保留區。但某些系統為減少SRAM所造成的額外成本會採用將數據從最初的扇區轉移到另一個扇區的方法來保存數據。一旦原扇區擦除後,數據就會再次轉移到原扇區上。不管採用哪種方法進行轉移,擦除作業都是一個非常耗能的作業,具體分析如下:

為修改一個位元組,整個扇區內容必須轉移到緩衝區內。然後原扇區被擦除。最後,數據再從緩衝區中回寫到原扇區內。此作業的功耗是扇區大小的函數。絕大多數主流4Mb快閃記憶體都採用64k大小的扇區。某些晶片也採用4k大小的扇區,還有些晶片扇區大小僅為128位元組。

扇區為64k位元組的晶片採用外部SRAM為緩衝區進行一位元組的修改時,首先要進行64k的讀作業,其次是扇區擦除,最後是64k的寫作業。若採用內部快閃緩衝區,以上作業的次數要加倍,即需進行兩次扇區讀,兩次扇區擦除和兩次扇區寫。採用4k位元組扇區的晶片只需進行4k讀作業、扇區擦除和4k寫作業。從中很容易看出小扇區是怎樣節約能量的。假定擦除和寫功耗相同,可以推算出64k扇區晶片功耗是4k扇區晶片功耗的8倍。採用128位元組扇區的晶片的功耗將是64k扇區晶片功耗的1/512,是4k扇區晶片功耗的1/64。

以上描述為理想情形,這種情形假設所有晶片的總擦除功耗和總寫功耗都是相同的。但實際情況如何呢?

這?有一個有趣的現象,即扇區尺寸最小的晶片其擦除功耗也最低。無需太多細節就可以看出,扇區大小為128位元組的晶片的擦除及寫整個扇區的總功耗為1.5mJ。扇區大小為4k位元組的晶片的擦除及寫功耗為5mJ,僅為128位元組晶片的3倍。這不足為奇,令人惊訝的是大扇區晶片的功耗。扇區大小為64k位元組的晶片進行一位元組修改的功耗幾乎為1.3J,大約是128位元組扇區晶片的1,000倍,是4k位元組扇區晶片的258倍。最耗能晶片進行一位元組修改的電池耗能可以支援4k位元組扇區晶片進行258次同樣的作業,也足以支撐128位元組晶片進行1,000次同樣的作業。圖1c中Y軸採用對數方法以展示4k位元組晶片與128位元組晶片之間的不同。當Y軸採用線性方法來表示同樣的數據時,晶片C和D的扇區修改功耗似乎都是0,其間差別展示不出來。藉由以上比較,建議若有小扇區適用於控制器的緩衝RAM時,設計師最好採用小扇區晶片以減少功耗。

了解使用軟體

當然,當以這些數位作參考時,必須懂得系統所用軟體。這?給出的功耗數位是同程式讀取周期成正比的。若僅將快閃記憶體用作代碼儲存並不用於任何數據儲存的話,就不用考慮以上所說的功耗問題。如果設計師不採用快閃記憶體,那麼所有作業都等效於長時間的讀作業,而且晶片功耗也大致相同。對於數據表頻繁改動的應用來說,選用大電流快閃記憶體會導致其功耗高得多。

作者簡介:

Jim Handy是Silicon Storage Technology Inc的市場高級主管。在加入SST之前,在Dataquest工作了10年,從事記憶體分析。著有《高速緩衝記憶體》一書(由Academy Press出版)。

作者:Jim Handy

市場高級主管

Silicon Storage Technology公司




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