SRAM，还没死

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来源：内容编译自IEEE，谢谢。

上周，在(zài)IEEE 国际固态電(diàn)路会议 (ISSCC) 上，先进芯片制造(zào)领域的(de)两大(dà)競(jìng)争对手英特尔和(hé)台積(jī)電(diàn)详细介绍了使用其最新技(jì)术英特尔 18z和(hé)台積(jī)電(diàn) N2构建的(de)关键存储器電(diàn)路SRAM的(de)功能。多(duō)年来，芯片制造(zào)商不断缩小電(diàn)路尺寸的(de)能力已经放缓——但缩小由(yóu)大(dà)量存储单元和(hé)支持電(diàn)路组成的(de)SRAM尤其困难。

这两家公司最密集的(de) SRAM 块提供 38.1 兆比特/平方毫米(mǐ)，使用的(de)存储单元为 0.021 平方微米(mǐ)。英特尔的(de)密度提高了 23% ，台積(jī)電(diàn)提高了 12% 。有点令人惊讶的(de)是，同一天上午，Synopsys公布了一种 SRAM 设计，它使用上一代晶躰(tǐ)管实现了相同的(de)密度，但运行速度不到上一代的(de)一半。

英特尔和(hé)台積(jī)電(diàn)的(de)技(jì)术是两家公司首次使用一种名为纳米(mǐ)片的(de)新型晶躰(tǐ)管架构。（三星在(zài)前一代技(jì)术上过渡到了纳米(mǐ)片。）在(zài)前几代技(jì)术中，電(diàn)流通过鳍状通道区域流过晶躰(tǐ)管。这种设计意味着，要增加晶躰(tǐ)管可驱動(dòng)的(de)電(diàn)流（从而使電(diàn)路运行得更(gèng)快或涉及更(gèng)长的(de)互连），需要在(zài)设备中添加更(gèng)多(duō)的(de)鳍片。纳米(mǐ)片设备取消了鳍片，用一堆硅带取而代之。重要的(de)是，这些纳米(mǐ)片的(de)寬(kuān)度可以根据设备进行调整，因此可以更(gèng)灵活地增加電(diàn)流。

内存咨询公司 Objective Analysis 的(de)首席分析师Jim Handy表示：“纳米(mǐ)片似乎可以让 SRAM 比其他(tā)代产品具有更(gèng)好的(de)扩展性(xìng)。”

柔性(xìng)晶躰(tǐ)管可制造(zào)更(gèng)小、更(gèng)好的(de) SRAM

SRAM 单元在(zài)六晶躰(tǐ)管電(diàn)路中存储一个位(wèi)。但这些晶躰(tǐ)管并不完全相同，因为它们对晶躰(tǐ)管有不同的(de)要求。在(zài)基于 FinFET 的(de)单元中，这可能意味着构建两对各有两个鳍片的(de)器件，其余两个晶躰(tǐ)管各有一个鳍片。

台積(jī)電(diàn)高级总监兼 IEEE 院(yuàn)士张宗勇(Tsung-Yung Jonathan Chang)表示，纳米(mǐ)片器件“在(zài) SRAM 单元尺寸方面提供了更(gèng)大(dà)的(de)灵活性(xìng)”。晶躰(tǐ)管之间的(de)意外(wài)差异较少他(tā)表示，纳米(mǐ)片的(de)品质可以提高 SRAM 的(de)低压性(xìng)能。

两家公司的(de)工程师都充分利用了纳米(mǐ)片晶躰(tǐ)管的(de)灵活性(xìng)。对于之前称为下拉和(hé)传输门晶躰(tǐ)管的(de)双鳍片器件，纳米(mǐ)片器件在(zài)物理上可能比它们所取代的(de)两个独立鳍片更(gèng)窄。但由(yóu)于纳米(mǐ)片堆栈的(de)总硅面積(jī)更(gèng)大(dà)，因此可以驱動(dòng)更(gèng)多(duō)電(diàn)流。对于英特尔来说，这意味着单元面積(jī)最多(duō)可减少 23%。

英特尔详细介绍了两种版本的(de)内存電(diàn)路，一种是高密度版本，另一种是高電(diàn)流版本，后者(zhě)充分利用了纳米(mǐ)片的(de)灵活性(xìng)。在(zài)FinFET设计中，传输门和(hé)下拉晶躰(tǐ)管具有相同数量的(de)鳍片，但纳米(mǐ)片允许英特尔将下拉晶躰(tǐ)管做得比传输门器件更(gèng)寬(kuān)，从而降低最低工作電(diàn)压。

除了纳米(mǐ)片晶躰(tǐ)管之外(wài)，英特尔 18a 还是首个包含背(bèi)面供電(diàn)网络的(de)技(jì)术。在(zài) 18a 之前，供電(diàn)互连（通常较厚）和(hé)信(xìn)号传输互连（更(gèng)细）都是在(zài)硅片上方构建的(de)。背(bèi)面供電(diàn)将電(diàn)源互连移至硅片下方，这样它们可以更(gèng)大(dà)、電(diàn)阻更(gèng)小，通过穿过硅片的(de)垂直连接为電(diàn)路供電(diàn)。该方案还为信(xìn)号互连释放了空(kōng)间。

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然而，英特尔技(jì)术主管兼经理王晓飞在(zài)ISSCC上告诉工程师们，背(bèi)面電(diàn)源无助于缩小 SRAM 位(wèi)单元本身。事实上，在(zài)单元内使用背(bèi)面電(diàn)源会使其面積(jī)扩大(dà) 10%，他(tā)说。因此，英特尔团队将其限制在(zài)外(wài)围電(diàn)路和(hé)位(wèi)单元陣(zhèn)列的(de)周边。在(zài)前者(zhě)中，它有助于缩小電(diàn)路，因为工程师能够在(zài) SRAM 单元下方构建一个关键電(diàn)容器。

台積(jī)電(diàn)尚未转向背(bèi)面供電(diàn)。但它能够仅从纳米(mǐ)片晶躰(tǐ)管中提取有用的(de)電(diàn)路级改进。由(yóu)于晶躰(tǐ)管的(de)灵活性(xìng)，台積(jī)電(diàn)工程师能够延长位(wèi)线的(de)长度，位(wèi)线是单元写入和(hé)读取的(de)连接。更(gèng)长的(de)位(wèi)线连接更(gèng)多(duō)的(de) SRAM 单元，意味着内存需要更(gèng)少的(de)外(wài)围電(diàn)路，从而缩小整躰(tǐ)面積(jī)。

“通常情况下，位(wèi)线会停留在(zài) 256 位(wèi)一段时间，”Chang 说道。“对于 N2……我们可以将其扩展到 512。这样可以将密度提高近 10%。”

Synopsys压缩 SRAM 電(diàn)路

Synopsys 销售電(diàn)子设计自動(dòng)化工具和(hé)電(diàn)路设计，工程师购买这些工具和(hé)電(diàn)路设计后将其集成到自己的(de)系统中。该公司的(de)密度与台積(jī)電(diàn)和(hé)英特尔大(dà)致相同，但采用的(de)是当今最先进的(de) FinFET 技(jì)术 3 纳米(mǐ)。该公司的(de)密度增益主要来自控制 SRAM 陣(zhèn)列本身的(de)外(wài)围電(diàn)路，具躰(tǐ)来说是所谓的(de)接口双轨架构与扩展范围電(diàn)平转换器相结合。

为了节省電(diàn)力，特别是在(zài)移動(dòng)处理器中，设计人员已经开始以不同的(de)電(diàn)压驱動(dòng) SRAM 陣(zhèn)列和(hé)外(wài)围電(diàn)路，Synopsys 产品管理高级总监Rahul Thukral。它被称为双轨，意味着外(wài)围设备可以在(zài)需要时以低電(diàn)压运行，而 SRAM 位(wèi)单元则以更(gèng)高的(de)電(diàn)压运行，从而降低了它们丢失位(wèi)的(de)可能性(xìng)。

但这意味着 SRAM 单元中代表 1 和(hé) 0 的(de)電(diàn)压与外(wài)围電(diàn)压不匹配。因此，设计人员采用了称为電(diàn)平移位(wèi)器的(de)電(diàn)路来进行补偿。

Synopsys 的(de)新型 SRAM 通过将電(diàn)平移位(wèi)器電(diàn)路放置在(zài)外(wài)围接口处（而不是单元陣(zhèn)列深处）并缩小電(diàn)路尺寸，提高了内存密度。该公司所称的(de)“扩展范围電(diàn)平移位(wèi)器”将更(gèng)多(duō)功能集成到電(diàn)路中，同时使用鳍片更(gèng)少的(de)FinFET，从而实现整躰(tǐ)更(gèng)紧凑的(de) SRAM。

但图克拉尔表示，密度并不是它的(de)唯一优势。“它允许两个轨道相距很(hěn)远，”他(tā)指的(de)是位(wèi)单元電(diàn)压和(hé)外(wài)围電(diàn)压。位(wèi)单元的(de)電(diàn)压可以在(zài) 540 毫伏到 1.4 伏之间，而外(wài)围電(diàn)压可以低至 380 毫伏。他(tā)说，这种電(diàn)压差使 SRAM 能够表现良好，同时最大(dà)限度地降低功耗。“当你把它降到非常非常低的(de)電(diàn)压时……它会大(dà)大(dà)降低功耗，这正是当今人工智能世界所喜欢的(de)，”他(tā)说。

当被问及类似的(de)電(diàn)路设计是否可以在(zài)未来的(de)纳米(mǐ)片技(jì)术中缩小 SRAM 时，Thukral 说：“答案是 100％可以。”

尽管 Synopsys 在(zài)密度上与 TSMC和(hé) Intel 不相上下，但其产品运行速度却要慢得多(duō)。Synopsys SRAM 的(de)最大(dà)速度为 2.3 GHz，而 TSMC SRAM 的(de)最快版本为 4.2 GHz，Intel 的(de)版本为 5.6 GHz。

More Than Moore 首席分析师Ian Cutress表示：“Synopsys 能够在(zài) 3 nm 上达到同样的(de)密度，这令人印象深刻，而且从长远来看，这一频率对于该节点的(de)大(dà)众市场硅片来说至关重要。” “它还展示了工艺节点很(hěn)少是靜(jìng)态的(de)，而且 SRAM 等新型密集设计仍在(zài)不断涌现。”

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