移动电话存储子系统的最小功耗

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作者：Odilio Vargas

正确选择和使用下一代移动电话存储器能够大幅度地降低功耗。
Odilio Vargas
英飞凌科技

存储器消耗的功率占移动电话总功耗的20%，这相当于应用处理器的功耗。降低存储器的功耗能够大幅度地延长移动电话电池的使用时间。
使用CellularRAM和MobileRAM这些功耗非常低的存储器，是降低功率的关键。此外，还有一个由普通DRAM演变而来的新结构：双倍速率 (DDR) MobileRAM，它把CellularRAM 和MobileRAM的低功耗设计技术和双倍速率（DDR）结合在一起，因而性能更好，功耗更小。目前的标准512MB DDR2也就成了大众化的产品。
今天，动态随机存储器（DRAM）进入了一个新的时代，移动电话从一个以通话为主的设备发展成为具备便携式媒体娱乐功能的设备，它需要功能更强大的应用处理器和图形处理器。移动电话的这些新发展，对存储器的性能提出更高的要求，推动着动态随机存取存储器（DRAM）的发展，促使它摆脱过去以个人电脑为中心的那种结构。
要把DRAM成功地运用到无线产品中，就必须对其进行全新的改造，让电池使用时间尽可能长，存储器在系统中的成本降到最低。有两种设计方案完全不同的产品线，可以把以DRAM为基础的存储器用于无线电话，这就是CellularRAM和MobileRAM。它们分别与移动电话对XIP (eXecution-In-Place) 或者代码遮蔽存储器结构性能的要求有关。
CellularRAM是一种伪静态随机存取存储器（PSRAM），它可以模拟静态随机存取存储器 (SRAM)和NOR flash存储器的接口。NOR flash存储器是用于XIP存储器结构，在以语音为主的平台中是很常见的。CellularRAM包含一个隐藏着的逻辑电路，它不需要用户指令就可以自动管理更新和实现开机预充电，DRAM技术都是这么做的。整机制造商按照无线平台中使用的相同接口，能够很快地运用DRAM技术，作为低成本的存储器使用，而它的性能提高了，密度从32Mb到128Mb。这样，使用老的无线平台的制造商可以把以语音为主的传统电话的市场寿命延长六至九个月，而且，只要做一些不大的修改，就可以使用CellularRAM，与SRAM相比，它的性能和密度都提高了，同时，与传统的DRAM产品相比，它的待机电流和工作电流都比较小。
CellularRAM的开发包括DRAM制造商在设计方面新的发明创造，包括温度补偿自刷新(TCSR)、局部阵列自动刷新(PASR)和深度停止供电(DPD)等等用来降低功耗的功能，同时，满足新的多芯片封装技术(MCP)的要求。CellularRAM用并行寻址和并行传送数据信号的办法，并达到NOR flash器件的性能，作为深受欢迎的随机存取存储器，可以很容易地把芯片叠起来，用于空间有限的蜂窝电话平台。制造商制造CellularRAM的经验促成他们开发出一种称作MobileRAM的存储器。这个器件把DRAM内核的电压从3.3V降低到2.5V 和1.8V，同时增加了一个新的关键性低功耗元件：片上温度传感器（OCTS）。
由于DRAM的物理特性，需要周期性地刷新数据，补偿各个DRAM存储单元中电容的放电作用。而且，温度会直接影响到刷新的速度。当DRAM在温度较高的环境中时，刷新速度必须提高，这将消耗更多功率。根据经验，温度每提高15℃，刷新速度必须提高一倍。为了把这种影响降到最低，我们可以利用片上温度传感器（OCTS）来自动检测温度，并且调节最有效的刷新速度，成功地恢复存储器里的内容，同时把待机电流降到最低。
MobileRAM的性能出众，管理功能的功耗也很小，受到希望提供最理想的移动计算设备而又不牺牲电池使用时间的掌上电脑（PDA）整机制造商的青睐。自从许多整机制造商选择使用PDA平台作为这些功能强大的"综合型"个人通信设备的基础，MobileRAM也就对智能电话的开发产生了直接的影响。这个平台增加了射频单元和电话功能之后，迅速地演变成为功能齐全的设备。针对新设备和图像单元处理功耗的不断增大，为了维持消费类产品低成本的要求，出现了一种代码遮蔽存储技术。
在代码遮蔽存储器里，MobileRAM的性能达到133MHz，超过了NOR flash，XIP平台的最高频率为80MHz。为了执行从易失性存储器送过来的程序代码，需要一些备用存储器，此时，选择NAND flash，原因在于它的比特成本较低，而且存储单元的结构比NOR flash更小。在NAND和MobileRAM之间，管理代码的关键性软件是请求页面调度，它在存储器之间根据处理器的要求交换代码和数据的页面。
为了挑选正确的存储元件和存储结构，就必须了解XIP与代码遮蔽之间在功耗方面的区别。通过功率分析可以确定存储子系统在整个无线平台功耗中的影响。图1表明，存储子系统是第三个消耗功率最大的部件。因此，恰当地使用存储器十分重要。

图1 比起整个无线平台，存储器子系统消耗的功耗占的比例很大。

以语音为主的电话和新的智能电话是两个主要的市场，这两种电话处在待机、通话和应用模式的时间是不同的（图2）。趋势是清楚的，除了作为语音设备进行通信外，移动电话正朝一个能够胜任多种工作的平台演变，例如，作为一个MP3播放器、互联网浏览器和视频/照相机。与以前相比，这些新功能需要使用更多的存储子系统， MobileRAM用代码遮蔽的方法．能够达到这些要求。

图2 随着移动电话向智能电话的转变，优化工作电流的重要性提高了。

对于CellularRAM，重点是放在降低待机电流，但这会牺性性能。智能电话平台需要巨大的存储子系统，不应该选择牺牲快速接口。在第二项研究中，确定了降低待机电流或者工作电流对代码遮蔽存储器结构总功耗的影响（图3）。显然，降低工作电流，不论是多少，对总功耗的影响，都比降低待机电流的作用更明显。这是因为，工作电流是毫安级，而待机电流是微安级。因此，工作的重点更多是集中在降低工作电流，这是降低总功耗的关键，因为，智能电话的存储子系统处于工作状态的时间比起以语音为主的电话平台长得多。