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功率技術/新能源  

將行動電話儲存子系統功耗降至最低

上網時間: 2006年03月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:行動電話  記憶體  電池  雙倍數據速率  刷新 

隨著行動電話向著具有豐富媒體功能的無線平台發展,對功率預算的控制是開發的重點。降低記憶體的功耗可以顯著延長行動電話的電池壽命。為了降低記憶體的功耗,業界使用了兩種不同的基於DRAM的記憶體架構:本地執行(XIP)和程式碼映射(Code Shadowing)。本文討論了這兩種記憶體架構的特點,並且介紹了新出現的DDR MobileRAM。

行動電話從簡單的語音通訊設備到奇妙的多功能多媒體設備的持續演進離不開各種半導體和零組件的創新。業界在開發更強大的圖形與應用處理器以及整合度更高的靈活的射頻模組方面投入了大量精力和物力。為了實現一整天的通話/數據通訊時間和多天的待機時間,對功率預算的控制通常是開發的重點。不過,對記憶體的重視程度卻往往不夠,實際上佔總功率預算20%的記憶體的功耗相當於應用處理器的功耗。很明顯,降低記憶體的功耗可以顯著延長行動電話的電池壽命。

使用CellularRAM和MobileRAM這樣的低功率記憶體是減少功耗的關鍵。此外,一種從普通DRAM發展而來的新型記憶體架構─雙倍數據速率(DDR)MobileRAM充分結合了CellularRAM和MobileRAM中創新的低功耗設計技術和DDR的性能優勢,因此能夠在提供更高性能的同時降低功耗。


圖1:大多數行動電話仍在使用XIP平台,而新的密集高速處理平台正向新的程式碼映射記憶體架構發展。XIP的優勢包括經典架構(軟體不用變化)、較低的功耗和較短的啟動時間。而程式碼映射架構可以提供更好的成本定位和更高的速度(新特點)。

DRAM在個人電腦中已非常普及。作為既便宜又快速的半導體記憶體,DRAM通常和硬碟驅動器連接使用。隨著PC從過去的龐然大物發展到今天小巧時尚的筆記型電腦,DRAM也經歷了新製程和電路設計技術的進化,來滿足市場對更高密度和更快介面的要求。如今標準的512Mb DDR2已經被用於很多產品。

隨著行動電話從以語音為中心應用的設備發展到需要更強大的應用和圖形處理器的具有可攜式媒體娛樂功能的設備,DRAM進入了一個嶄新的時代。行動電話的這些新功能對記憶體提出了全新的性能要求,正促使DRAM向脫離過去以PC為中心的架構方向發展。如今行動電話銷售量規模之大足以使OEM廠商採用與PC類似的業務模型,包括將DRAM作為低成本的通用記憶體。

圖2:整個無線平台功率的很大一部份分配給了記憶體子系統。

為了使DRAM成功應用於無線領域中,需要滿足盡可能長的電池壽命,並減少記憶體佔用的系統空間,因此必須要對DRAM進行新的改進。目前可以採用兩種截然不同的產品線策略,將基於DRAM的記憶體導入無線電話,分別是:CellularRAM對應於本地執行(XIP)記憶體架構;MobileRAM對應於程式碼映射(Code Shadowing)記憶體架構。採用這兩種架構的行動電話性能預期如圖1所示。

CellularRAM是一種偽靜態隨機存取記憶體(PSRAM),它模仿靜態隨機存取記憶體(SRAM)和NOR快閃記憶體介面,這兩類記憶體用於以語音為中心應用的平台中常見的XIP儲存架構中。CellularRAM內含一個隱藏的邏輯電路,可以自動管理DRAM技術所固有的刷新和預充電作業,不需要用戶命令。透過這樣模擬無線平台中常見的介面,OEM廠商能夠快速挖掘出基於DRAM的技術的潛力,作為一種性能增強、容量密度從32Mb到128Mb的低成本記憶體替代方案。同樣,傳統無線平台製造商也能透過少量修改,就能利用CellularRAM延長以語音為中心應用的電話原本六到九個月的產品生命週期,並且獲得比SRAM更高的性能和密度,並提供比傳統DRAM產品更低的待機和工作電流。

圖3:隨著智慧電話發展,最佳工作電流的重要性在不斷提高。

CellularRAM的開發融合了DRAM製造商提出的設計創新,包括溫度補償自動刷新(TCSR)、局部陣列自動刷新(PASR)和深度降低功耗(DPD)等許多低功耗特性,同時還能符合新的多晶片封裝(MCP)要求。由於具有平行的地址/數據訊號機制和NOR快閃記憶體元件性能,CellularRAM作為一種搭配用(companion)的記憶體,正逐漸得到普及,對於空間受限的行動電話平台來說可以便於製作堆疊晶片解決方案。製造商在CellularRAM方面的經驗也促成了MobileRAM這種通用DRAM類型的開發。MobileRAM元件將DRAM的核心電壓從3.3V降到2.5和1.8V,同時還導入一種新的關鍵低功率特性:晶片上溫度感測器(OCTS)。

DRAM的實體特性要求週期性的刷新數據,以補償與DRAM儲存單元相關的電容器放電效應。刷新率被發現是溫度的直接函數。當DRAM暴露在較高溫度中時,需要提高刷新率,因而導致更高的功耗。一般的經驗法則認為,溫度每升高15度,刷新率就需要提高一倍。為了盡量減少這種效應,可以使用OCTS自動檢測溫度,並編程設定最有效的刷新速率,以在成功恢復儲存內容同時盡量減少待機電流。

圖4:透過降低工作電流而非待機電流可顯著降低總記憶體功耗。

具有更高性能和低功率管理性能的MobileRAM的價值也得到PDA OEM廠商的認同,他們一直試圖在不縮短電池壽命的基礎上提供最佳的行動運算能力。這還將直接影響智慧電話的開發,因為許多OEM廠商已經選用PDA平台作為這些功能強大的‘整合式’個人通訊裝置的基礎。透過添加RF單元和電話功能,這些PDA平台能夠迅速的發展成為全功能的設備。為了滿足新的應用處理器和圖形單元不斷成長的處理能力,同時保持消費性產品要求的低成本,業界還開發出了程式碼映射記憶體技術。

在程式碼映射記憶體中,133MHz的MobileRAM帶來的性能優勢要超過XIP中工作頻率高達80MHz的NOR快閃記憶體。為了彌補從揮發性記憶體執行程式程式碼所需的冗餘記憶體,可以選擇NAND快閃記憶體,因為NAND快閃記憶體的每位元成本比NOR快閃記憶體低,單元尺寸也比NOR快閃記憶體小。管理NAND和MobileRAM之間程式碼的關鍵軟體特性是需求頁面調度,它可以根據處理器的預期在記憶體之間交換程式碼/數據頁。

圖4:透過降低工作電流而非待機電流可顯著降低總記憶體功耗。

為了選擇正確的記憶體元件和記憶體架構,需要深入理解XIP和程式碼映射之間存在的功耗區別。可以透過功率分析確定記憶體子系統對整個無線平台功耗的影響。有關分析結果(見圖2)顯示,記憶體子系統是行動電話中功耗第三大的元件。由於儲存子系統需要消耗較大的電力,因此了解如何根據應用要求正確使用記憶體非常重要。

以語音為主要應用的電話和新興的智慧電話是兩大重要的市場領域,每個領域在待機、通話和應用模式使用之間都有其自己獨特的要求(見圖3)。除了作為語音設備外,朝著能夠執行多任務(如作為MP3播放器、網際網路瀏覽器和視訊/照相機等)的平台發展是明顯的趨勢。這些新的應用要求能比以往更好地發揮記憶體子系統性能,而具有程式碼映射功能的MobileRAM完全能夠滿足這一要求。

採用CellularRAM後,重點放在以性能損失為代價降低待機電流方面。雖然智慧電話平台對記憶體子系統有很高的要求,但犧牲高速介面也是不允許的。為了確定減少待機電流或工作電流對程式碼映射記憶體架構的總體功耗的影響大小(見圖4),又進行了一次研究。很明顯,減少工作電流對總體功耗的影響要比降低待機電流大的多,因為工作電流大小是毫安級的,而待機電流只有微安級。因此著重降低工作電流是降低總體功耗的關鍵要素,因為智慧電話的記憶體子系統處在工作模式的時間要比以語音為主的電話平台更多。

圖5:採用DDR MobileRAM後,由於工作模式持續時間減短,即使工作電流稍微增加,但對於實現隨機‘讀取’(8個字長)命令來說,仍可以節省12%的功耗。

智慧電話製造商已經認識到,使用MobileRAM下一代平台的優勢就是測試DDR MobileRAM產品帶來的更多好處。除了降低工作電流外,與採用SDRAM介面的MobileRAM相較,新的DDR MobileRAM介面能夠減少實現相同讀/寫作業所需的時間。由於感應電流的加倍而造成DDR MobileRAM工作電流的稍稍增加可以被縮短的命令執行時間所抵銷(見圖5)。因此在不縮短電池壽命的基礎上提高未來無線平台的系統性能更加有可能。

無線領域中導入CellularRAM和MobileRAM產品後可以在行動通訊環境中展現DRAM記憶體的成本效益(透過PC中使用的大量通用DRAM獲得)。在傳統或下一代無線平台中使用DRAM記憶體的靈活性,並且能夠滿足低功率管理和空間受限要求驗證了DRAM在這些新興應用市場的有效性。

作者:Odilio Vargas

產品行銷經理

消費與行動業務部

英飛凌科技記憶體產品集團




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