邊緣計算性能的提升給存儲器的設計，類型的選擇和配置都帶來挑戰，這也導致在不同的應用市場中需要進行更復雜的權衡。

芯片架構正在與新市場一起發展，但數據在芯片、設備之間以及系統之間如何移動并不總是很清楚。汽車和 AI 應用的數據正變得越來越多和復雜，但芯片架構在處理時有時不清楚如何優先處理數據。這讓芯片設計人員面臨抉擇，是選擇共用內存降低成本，還是增加不同類型內存提高性能和降低功耗。

所有這些都是以安全為前提，并且不同的市場設計的要求也不一樣。比如，汽車中的各種類型的圖像傳感器（如激光雷達和攝像頭）的大量數據需要在本地處理。AI 芯片則希望性能能夠提升 100 倍。

解決內存問題有一些方法，其中一種是片上存儲器，也就是將存儲器分散地集成在運算單元旁，最大程度減少數據搬移，這種方法的目標是通過減少負載和存儲的數量來突破內存瓶頸，也能降低功耗。

" 存算一體（In-memory computing）可能是模擬的、數字的，或兩者都有。" Cadence Digital＆Signoff Group 的高級首席產品經理 Dave Pursley 說，" 雖然在內存中進行計算的想法可能是日益增長的趨勢，但在這種計算中實際發生的情況似乎大不相同。"

SRAM 和 DRAM 仍是主流

盡管市場出現了新的變化，但片上 SRAM 和片外 DRAM 仍是主流。已經有專家預測 DRAM 多年后將 " 死亡 "，但它仍然是最經濟和可靠的選擇。DRAM 具有高密度、架構簡單、低延遲和高性能的特性，兼具耐用和低功耗的特性。

DRAM 密度的增速正在放緩，但 HBM2 等新架構允許通過堆疊模塊的方式而不是使用 DIMM 來垂直增加密度，這種方法還讓 DRAM 更靠近處理單元。

另外，SRAM 價格昂貴且密度有限，但其高速性能多年來已被驗證。片上存儲器的挑戰是采用分布還是共用的方式，在某些情況下，為保證安全性需要增加冗余。

" 所有這些要求都會影響存儲器的類型和數量的選擇，還涉及片上和片外存儲器之間的權衡，以及訪問每個存儲器互連的復雜性。"Arm 高級物聯網架構師 Ryan Lim 表示。

低功耗存儲器是關鍵

存儲器的一個關鍵問題是功耗，其中存儲器類型和配置等多種因素都會影響功耗。例如，在 7nm 的存儲器中進行數據的存取可能消耗更多功耗，這是因為線路中的 RC 延遲。當然，這也會產生熱量，有可能會破壞輸入輸出存儲器的信號的完整性。

不過，較慢的片外數據使用高帶寬內存可以節省功耗，并且可以與高速 GDDR6 一樣快。如何做出這些決定取決有多種因素，包括設備的平均售價和選擇的存儲器類型。

還有針對手持移動設備的極低功耗的存儲器，包括越來越多使用電池的邊緣設備。

" 這些存儲器具有極高的效能，可在一定程度上提升電池供電設備的功耗和數據速率。" Rambus 杰出的院士 Steven Woo 說。" 它們也可以在多種模式下工作，當處于待機狀態時，可以消耗很少的能量滿足手機和平板電腦等產品的需求，并在需要進行處理時快速切換到更高性能 / 更高功率的模式。 "

低功耗存儲器還支持多種封裝方式，允許它們與手機處理器堆疊在一起，滿足智能手機的輕薄需求，也能集成在 PCB 上支持平板電腦和其他消費類設備高容量內存配置的需求。

毫無疑問，開發低功耗存儲器是一項挑戰。" 當設計低功耗存儲器時，它們支持的速率范圍很廣，相對低功耗存儲器而言，這些數據速率往往是相當高的。"Woo 說。" 這通常是由一兩個主要應用市場驅動，所以它必須面向一個市場很大的行業，擁有足夠大市場的行業才能催生新的存儲器。從歷史上看，手機市場是成功的例子。如果與不同的手機制造商交談，他們都希望獲得性能和電源效率更高的存儲器，因為他們希望能夠延長電池壽命。對于其他想要使用低功耗存儲器的公司，他們會很慶幸其他人正在幫他們實現。"

通常，這些合格的存儲器可能在幾種不同的數據速率下運行，但速率很接近。" 這些存儲器可能有一個是每秒 4.2 千兆比特的速率，另一個是 3.2 千兆比特。" 他解釋道，" 這可以讓內存制造商在生產所有這些存儲器時，進行所謂的分級。當某些部件沒有全速運行時會發生這種情況，但制造商依舊會出售這些內存，因為有些客戶需要以更便宜的價格購買性能較低的存儲器。Binning（數據合并）允許這種情況。這些產品的性能在一定的范圍內，都屬于合格品。"

存儲器如何影響人工智能發展？

人工智能在幾乎所有新技術中都扮演著重要角色，而存儲器又在人工智能中起著重要作用。極高的速度和極低的功率是芯片一直以來追求的，不過這并不總是有效，因為空間有限。但它能解釋為什么數據中心和用于訓練的 AI 芯片比應用于終端推理設備的芯片更大。另一種方法是減少一些片外存儲芯片，以提高數據吞吐量并通過設計減少到內存的距離，或者限制片外數據流。

在任何一種情況下，片外存儲器的競爭很大程度上歸結為 DRAM-GDDR 和 HBM。

" 從工程和生產的角度來看，GDDR 看起來很像其他類型的 DRAMs，如 DDR 和 LPDDR，"Woo 說。" 你可以將它集成到標準 PCB 板上，還能用類似的制造工藝。HBM 是新一些的技術，它涉及堆疊和內插器（interposers），因為 HBM 有許多連接速度較慢。每個 HBM 堆棧將具有一千個連接，因此需要高密度的互連，這遠遠超過 PCB 的處理能力。這就是為什么有些公司正在使用內插器，因為可以將這些導線蝕刻得非常接近，很像片上連接，可以獲得更多的連接。"

HBM 追求最高性能和最佳功效，但成本更高，需要更多的工程時間和技術。使用 GDDR，DRAM 和處理器之間的互連就沒那么多，但它們的運行速度要快得多，這會影響信號完整性。

圖 1：各種類型 DRAM 的特點。圖片來源：Rambus

PPA

功率，性能和面積（Power、Performance、Area）仍然是關鍵驅動因素，盡管有架構和變革和新技術。

" 這三個都非常重要，但很大程度上取決于應用。" 西門子 Mentor 知識產權部門總經理 Farzad Zarrinfar 表示。" 例如，如果是一個便攜應用，功耗非常重要。電源本身也分動態和靜態。一部分是動態功率，一部是靜態功率。如果應用于無線通信，如果有大量計算，動態功率非常重要。但是，如果是可穿戴式應用，使用者會處于睡覺、醒來運動，然后又回到睡眠的不同狀態，靜態 / 泄漏功率非常重要。"

淺睡眠等功能使設計人員能夠大幅減少泄漏，這時，不工作的存儲器進入源偏置模式以減少泄漏，而其他被直接訪問的存儲組是工作的。在設計的深度睡眠時，可以通過電源管理，管理 Vdd 和最小化泄漏的技術來保留數據。如果不需要保留數據，則用關閉模式能進一步減少泄漏。

與電源效率相關的一切在汽車中也是至關重要的。" 在電動汽車中，電池的壽命非常重要，因此耗電量至關重要，"Zarrinfar 說。" 人們希望從 -40°C 一直到 125°C 都具有線性的特性，甚至在更高的 150°C 情況下。他們不希望在高溫下泄漏陡然增長，并且他們希望盡可能地將其保持在線性范圍內。同樣，我們必須在整個溫度范圍內注意功耗和泄漏，這非常重要。"

無論應用領域如何，功率仍然是首要考慮因素。" 我們看到隨著 SoC 設計向更小化發展。" 他說。" 存儲器的消耗正在增加，嵌入式存儲器的容量也在增加。現在，我們看到超過 50％的裸片是存儲器。所以人們必須注意存儲器的耗電量。"

圖 2：1999 - 2023 年平均晶圓面積 來源：Semico Research

結論

盡管有大量革命性技術和創新架構，但內存仍然是設計的核心。雖然即將出現新的存儲器類型，例如相變和自旋扭矩，但大部分仍然應用于各種條件的市場。最大的變化在于如何對現有存儲器進行優先級劃分、共用、在設計中選擇，以及最終如何使用它們。雖然這聽起來像是一個簡單的問題，但事實并非如此。

" 選擇正確的內存解決方案通常是獲得最佳系統性能的最關鍵。" Synopsys 高級技術營銷經理 Vadhiraj Sankaranarayanan 在最近發表的一份白皮書中指出，這說起來容易做起來難。

【來源：雷鋒網】