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

發(fā)布時間:2024-06-20 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】人工智能大模型的突然爆火,讓發(fā)電這個近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50萬千瓦時電力,相當(dāng)于1.7萬個美國家庭的用電量。而隨著生成式AI的廣泛應(yīng)用,預(yù)計到2027年,整個人工智能行業(yè)每年將消耗85至134太瓦時(1太瓦時=10億千瓦時)的電力。如此高昂的電力負(fù)擔(dān)對當(dāng)前任何國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。


人工智能大模型的突然爆火,讓發(fā)電這個近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50萬千瓦時電力,相當(dāng)于1.7萬個美國家庭的用電量。而隨著生成式AI的廣泛應(yīng)用,預(yù)計到2027年,整個人工智能行業(yè)每年將消耗85至134太瓦時(1太瓦時=10億千瓦時)的電力。如此高昂的電力負(fù)擔(dān)對當(dāng)前任何國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)時長已經(jīng)成為關(guān)鍵賣點(diǎn)。更苛刻的是,這些對能耗敏感的產(chǎn)品還通常附加便攜性等需求,工程師需從各個方面去滿足“既要、又要、還要”的多重挑戰(zhàn)。


從1.8V到1.2V

小改變解決了電壓對齊的大麻煩


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,確保了編程和擦除操作的高效執(zhí)行。


然而,工程師們在處理1.2V SOC與1.8V Flash協(xié)同工作的問題時,常常遇到一個“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,從而確保信號傳輸?shù)耐暾裕ㄈ鐖D1所示)。此外,還必須設(shè)計雙電源系統(tǒng),分別支持1.2V SoC和外部1.8V Flash,確保各自器件獲得正確的供電電壓。


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

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


在這樣的背景下,兆易創(chuàng)新的1.2V SPI NOR Flash——GD25UF產(chǎn)品系列應(yīng)運(yùn)而生,通過供電電壓的小改變解決了系統(tǒng)電壓對不齊的大麻煩。


多維度創(chuàng)新設(shè)計

讓存儲讀寫功耗大幅降低


正是基于設(shè)計的復(fù)雜性及成本降低的考慮,1.2V SPI NOR Flash對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,兩者之間實(shí)現(xiàn)了無縫對接,無需額外的電平轉(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。


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

圖2:采用GD25UF 1.2V SPI NOR Flash可有效簡化電源架構(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)到國際領(lǐng)先水平。同時,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,1.2V 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)480 Mbps的吞吐率,但電流更低,為5mA。優(yōu)異的性能使得該產(chǎn)品系列在針對智能可穿戴設(shè)備、健康監(jiān)測、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,有效延長設(shè)備的續(xù)航時間。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。


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1.8V核心供電、1.2V IO接口架構(gòu)獨(dú)特的NOR Flash產(chǎn)品——GD25/55NF系列,以應(yīng)對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)無縫對接(如圖3所示),精準(zhǔn)契合了先進(jìn)制程SoC設(shè)計對低功耗、簡化電路布局的迫切需求。


與此同時,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,對汽車電子、可穿戴設(shè)備、智能識別等對性能和功耗均有嚴(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。


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

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


多年持續(xù)開拓

引領(lǐng)存儲發(fā)展新趨勢


自2008年推出國內(nèi)首顆SPI NOR Flash以來,兆易創(chuàng)新歷經(jīng)多年的研發(fā)和市場拓展,已成為NOR Flash全球市場占有率排名第三的芯片廠商,F(xiàn)lash累計出貨量超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,針對不同市場應(yīng)用需求分別提供高性能、低功耗、高可靠性、小封裝等多個產(chǎn)品系列,滿足幾乎所有代碼存儲的應(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)上電后即時響應(yīng)。此外,兆易創(chuàng)新還提供WLCSP(晶圓級芯片封裝)、并率先推出了3x3x0.4mm的FO-USON8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AEC-Q100 車規(guī)級認(rèn)證,兆易創(chuàng)新已實(shí)現(xiàn)從SPI NOR Flash到SPI NAND Flash的車規(guī)級產(chǎn)品的全面布局,為車載應(yīng)用的國產(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)推動新一代存儲芯片的不斷升級,滿足千行百業(yè)的應(yīng)用需求,助力行業(yè)加速創(chuàng)新。

文章來源:兆易創(chuàng)新GigaDevice


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