創(chuàng)新存儲(chǔ)如何滿足“既要、又要、還要”的苛刻設(shè)計(jì)需求

人工智能大模型的突然爆火，讓發(fā)電這個(gè)近200年的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)意外再次引起關(guān)注：據(jù)業(yè)界數(shù)據(jù)顯示，僅ChatGPT每天就需要消耗超過(guò)50萬(wàn)千瓦時(shí)電力，相當(dāng)于1.7萬(wàn)個(gè)美國(guó)家庭的用電量。而隨著生成式AI的廣泛應(yīng)用，預(yù)計(jì)到2027年，整個(gè)人工智能行業(yè)每年將消耗85至134太瓦時(shí)（1 太瓦時(shí)=10 億千瓦時(shí)）的電力。如此高昂的電力負(fù)擔(dān)對(duì)當(dāng)前任何國(guó)家的供電能力而言都是嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，更遑論巨大的用電成本。業(yè)界戲稱，AI的盡頭是綠電。

有電力焦慮的不僅人工智能大模型，隨著5G 與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的廣泛普及，各種嵌入式邊緣智能電子產(chǎn)品一樣有“能耗焦慮”，例如可穿戴電子產(chǎn)品、掃地機(jī)、智能音箱等，待機(jī)時(shí)長(zhǎng)已經(jīng)成為關(guān)鍵賣點(diǎn)。更苛刻的是，這些對(duì)能耗敏感的產(chǎn)品還通常附加便攜性等需求，工程師需從各個(gè)方面去滿足“既要、又要、還要”的多重挑戰(zhàn)。

1從1. V到1.2V，小改變解決了電壓對(duì)齊的大麻煩

如何降低電子系統(tǒng)功耗？摩爾定律就為半導(dǎo)體芯片的低功耗指出了方向，制程節(jié)點(diǎn)越先進(jìn)的系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）性能越高、功耗越低。如今SoC正逐步采用更先進(jìn)的制程節(jié)點(diǎn)，如7納米、5納米、4納米乃至最近嶄露頭角的3納米工藝，制造工藝的迭代讓SoC的核心工作電壓從過(guò)去的3.3V一路走低，已降至1.2V及以下。

與SoC芯片供電電壓的走低趨勢(shì)不同，傳統(tǒng)閃存IC產(chǎn)品陣容廣泛，其核心工作電壓通常設(shè)定在3.3V或1.8V，這樣的高電壓環(huán)境為閃存器件提供了足夠的驅(qū)動(dòng)，確保了編程和擦除操作的高效執(zhí)行。

然而，工程師們?cè)谔幚?.2V SOC與1.8 V Flash協(xié)同工作的問(wèn)題時(shí)，常常遇到一個(gè)“大麻煩”，需要不得不采取額外的工程措施以實(shí)現(xiàn)二者的兼容，即通過(guò)引入電平轉(zhuǎn)換電路在SoC 內(nèi)部集成電平轉(zhuǎn)換邏輯，將核心的1.2V電壓信號(hào)抬升至與外部閃存相匹配的1.8V IO電壓水平，從而確保信號(hào)傳輸?shù)耐暾裕ㄈ鐖D1 所示）。此外，還必須設(shè)計(jì)雙電源系統(tǒng)，分別支持1.2 V SoC和外部1.8 V Flash，確保各自器件獲得正確的供電電壓。

圖1 1.2 V SoC通過(guò)增加升壓電路與傳統(tǒng)1.8 V Flash進(jìn)行通信

在這樣的背景下， 兆易創(chuàng)新的1.2 V SPI NORFlash——GD25UF產(chǎn)品系列應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)供電電壓的小改變解決了系統(tǒng)電壓對(duì)不齊的大麻煩。

2 多維度創(chuàng)新設(shè)計(jì)，讓存儲(chǔ)讀寫功耗大幅降低

正是基于設(shè)計(jì)的復(fù)雜性及成本降低的考慮，1.2 VSPI NOR Flash對(duì)SoC用戶而言非常重要。如圖2所示，當(dāng)SoC 與外部閃存的工作電壓均為1.2V時(shí)，兩者之間實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫對(duì)接，無(wú)需額外的電平轉(zhuǎn)換電路介入，這就意味著SoC中原本用于對(duì)接不同電壓閃存所需的空間得以節(jié)省，芯片面積得到有效縮減。

圖2 采用GD25UF 1.2 V SPI NOR Flash可有效簡(jiǎn)化電源架構(gòu)

值得一提的是，GD25UF 產(chǎn)品系列在1.2 V工作電壓下的數(shù)據(jù)傳輸速度、讀寫功耗等關(guān)鍵指標(biāo)上均達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。同時(shí)，該產(chǎn)品系列提供了Normal Mode和Low Power Mode兩種工作模式，相比1.8 V NOR Flash，1.2 V GD25UF 系列在Normal Mode、相同電流情況下的功耗降低33%，在Low Power Mode、相同頻率下的功耗更是降低70%。

GD25UF產(chǎn)品系列具有單通道、雙通道、四通道和DTR四通道的SPI 模式，DTR功能還有助于降低功耗。在正常的四通道SPI模式下，GD25UF在120MHz的工作頻率下以6mA的讀取電流實(shí)現(xiàn)480 Mbps的吞吐率；而在DTR 四通道SPI 模式下，該產(chǎn)品在 60MHz工作頻率也可實(shí)現(xiàn)480 Mbps的吞吐率，但電流更低，為5mA。優(yōu)異的性能使得該產(chǎn)品系列在針對(duì)智能可穿戴設(shè)備、健康監(jiān)測(cè)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或其它單電池供電的應(yīng)用中，能顯著降低運(yùn)行功耗，有效延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。目前，GD25UF產(chǎn)品系列已有64Mb、128Mb容量可供選擇，并即將推出8Mb、16Mb、32Mb容量產(chǎn)品。

3 從GD25UF到GD25/55NF，兆易創(chuàng)新這樣加速產(chǎn)品落地

除了GD25UF產(chǎn)品系列，兆易創(chuàng)新還推出了業(yè)界首款1.8 V核心供電、1.2 V IO接口架構(gòu)獨(dú)特的NOR Flash 產(chǎn)品——GD25/55NF 系列，以應(yīng)對(duì)更高性能與更低功耗的雙重挑戰(zhàn)。該產(chǎn)品系列可與1.2V核心電壓的SoC實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接（如圖3 所示），精準(zhǔn)契合了先進(jìn)制程SoC設(shè)計(jì)對(duì)低功耗、簡(jiǎn)化電路布局的迫切需求。

與此同時(shí)，在性能方面，盡管GD25/55NF產(chǎn)品系列的接口電壓降低至1.2V，其仍保持1.8V核心供電，這意味著該產(chǎn)品系列擁有與1.8V Flash相同的讀取性能以及較快的擦寫時(shí)間；功耗方面，在保持?jǐn)?shù)據(jù)處理速度和穩(wěn)定性不變的前提下，GD25/55NF系列相較于常規(guī)1.8V供電方案，1.2V VIO接口方案最多可以降低40%的讀功耗，顯著提升了能效比，對(duì)汽車電子、可穿戴設(shè)備、智能識(shí)別等對(duì)性能和功耗均有嚴(yán)格要求的應(yīng)用而言，該產(chǎn)品系列是非常理想的Flash 解決方案。目前，GD25/55NF產(chǎn)品系列有128 Mb、256 Mb、512 Mb、1 Gb、2 Gb 等多種容量可供選擇。

圖2 采用GD25UF 1.2 V SPI NOR Flash可有效簡(jiǎn)化電源架構(gòu)

值得一提的是，GD25UF產(chǎn)品系列在1.2V工作電壓下的數(shù)據(jù)傳輸速度、讀寫功耗等關(guān)鍵指標(biāo)上均達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。同時(shí)，該產(chǎn)品系列提供了Normal Mode和Low Power Mode兩種工作模式，相比1.8V NOR Flash，1.2 V GD25UF 系列在Normal Mode、相同電流情況下的功耗降低33%，在Low Power Mode、相同頻率下的功耗更是降低70%。

GD25UF產(chǎn)品系列具有單通道、雙通道、四通道和DTR四通道的SPI模式，DTR功能還有助于降低功耗。在正常的四通道SPI模式下，GD25UF在120 MHz的工作頻率下以6mA的讀取電流實(shí)現(xiàn)480 Mbps的吞吐率；而在DTR 四通道SPI 模式下，該產(chǎn)品在60MHz工作頻率也可實(shí)現(xiàn)480Mbps的吞吐率，但電流更低，為5mA。優(yōu)異的性能使得該產(chǎn)品系列在針對(duì)智能可穿戴設(shè)備、健康監(jiān)測(cè)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或其它單電池供電的應(yīng)用中，能顯著降低運(yùn)行功耗，有效延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。目前，GD25UF產(chǎn)品系列已有64Mb、128Mb容量可供選擇，并即將推出8Mb、16Mb、32Mb容量產(chǎn)品。

3 從GD25UF到GD25/55NF，兆易創(chuàng)新這樣加速產(chǎn)品落地

除了GD25UF產(chǎn)品系列，兆易創(chuàng)新還推出了業(yè)界首款1.8 V核心供電、1.2V IO接口架構(gòu)獨(dú)特的NORFlash產(chǎn)品——GD25/55NF系列，以應(yīng)對(duì)更高性能與更低功耗的雙重挑戰(zhàn)。該產(chǎn)品系列可與1.2V核心電壓的SoC實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接（如圖3所示），精準(zhǔn)契合了先進(jìn)制程SoC設(shè)計(jì)對(duì)低功耗、簡(jiǎn)化電路布局的迫切需求。

圖3 1.2 V VIO GD25/55NF保持1.8 V高性能的同時(shí)有助于簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)

與此同時(shí)，在性能方面，盡管GD25/55NF產(chǎn)品系列的接口電壓降低至1.2V，其仍保持1.8V核心供電，這意味著該產(chǎn)品系列擁有與1.8V Flash相同的讀取性能以及較快的擦寫時(shí)間；功耗方面，在保持?jǐn)?shù)據(jù)處理速度和穩(wěn)定性不變的前提下，GD25/55NF系列相較于常規(guī)1.8V供電方案，1.2V VIO接口方案最多可以降低40%的讀功耗，顯著提升了能效比，對(duì)汽車電子、可穿戴設(shè)備、智能識(shí)別等對(duì)性能和功耗均有嚴(yán)格要求的應(yīng)用而言，該產(chǎn)品系列是非常理想的Flash 解決方案。目前，GD25/55NF產(chǎn)品系列有128Mb、256Mb、512Mb、1Gb、2Gb 等多種容量可供選擇。

4 多年持續(xù)開(kāi)拓，引領(lǐng)存儲(chǔ)發(fā)展新趨勢(shì)

自2008年推出國(guó)內(nèi)首顆SPI NOR Flash以來(lái)，兆易創(chuàng)新歷經(jīng)多年的研發(fā)和市場(chǎng)拓展，已成為NOR Flash全球市場(chǎng)占有率排名第三的芯片廠商，F(xiàn)lash累計(jì)出貨量超212億顆。兆易創(chuàng)新SPI NOR Flash^?的產(chǎn)品線十分豐富，提供從512Kb至2Gb容量范圍，支持1.2V、1.8V、3V以及1.65~3.6V供電，覆蓋7 款溫度規(guī)格、15種產(chǎn)品容量、27大產(chǎn)品系列以及29種封裝方式，針對(duì)不同市場(chǎng)應(yīng)用需求分別提供高性能、低功耗、高可靠性、小封裝等多個(gè)產(chǎn)品系列，滿足幾乎所有代碼存儲(chǔ)的應(yīng)用需求。

其中，GD25/55T和GD25/55LT系列提供高達(dá)200MB/s數(shù)據(jù)吞吐量；GD25/55X和GD25/55LX系列提供高達(dá)400MB/s數(shù)據(jù)吞吐量，適用于車載、物聯(lián)網(wǎng)和其他等需要將大容量代碼快速讀取的應(yīng)用，以保證系統(tǒng)上電后即時(shí)響應(yīng)。此外，兆易創(chuàng)新還提供WLCSP（晶圓級(jí)芯片封裝）、并率先推出了3×3×0.4mm的FOUSON8封裝的128Mb GD25LE128EXH，超小尺寸產(chǎn)品讓研發(fā)人員在輕薄小的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中游刃有余。

兆易創(chuàng)新的NAND Flash采用38nm和24nm工藝節(jié)點(diǎn)，提供1Gb至8Gb主流容量產(chǎn)品，支持1.8V和3V電壓，以及傳統(tǒng)并行和新型SPI 兩種接口形式，為需要大容量、高可靠性代碼存儲(chǔ)的嵌入式應(yīng)用提供了完善的解決方案。

此外，兆易創(chuàng)新GD25/GD55全系列SPI NOR Flash以及GD5F全系列SPI NAND Flash均已通過(guò)AEC-Q100車規(guī)級(jí)認(rèn)證，兆易創(chuàng)新已實(shí)現(xiàn)從SPI NOR Flash到SPINAND Flash的車規(guī)級(jí)產(chǎn)品的全面布局，為車載應(yīng)用的國(guó)產(chǎn)化提供豐富多樣的選擇。

作為業(yè)界領(lǐng)先的半導(dǎo)體器件供應(yīng)商，兆易創(chuàng)新將持續(xù)推動(dòng)新一代存儲(chǔ)芯片的不斷升級(jí)，滿足千行百業(yè)的應(yīng)用需求，助力行業(yè)加速創(chuàng)新。

（本文來(lái)源于《EEPW》2024.5）