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使用自我刷新機制連結深度省電模式: 行動動態隨機記憶體一種省電新機會

在今日,行動電話由於其可到處攜帶,且無任何時間使用限制之特性已經變成消費者最喜歡的裝置。雖然行動電話可像7-11一樣全年無休的服務人類,但根據統計、多數手機在大部分的時間都處於待機狀態。一旦行動電話開機且連續未關的使用狀況下,大部分時間裝置都不會處於被使用之狀態,反而比較可能的情景是手機會放在口袋中或只是隨意放在桌子上等待我們打電話、打開應用程式如APP(如Line或是Facebook)或是觀看影像。

由上所述之消費者使用習慣,我們可以觀察到手機上的應用處理器(applications processor)的運算效能很大的比率是在於如何處理長期且只需低運算效能的應用環境。比較常見的使用情況是大部分時間作業系統與無線傳輸都只在背景上默默運作,而中間穿插幾個密集如查看社群網站、打電玩等使用活動,同樣的狀況也可透過低功耗動態記憶體支援應用處理器運算時來證明此現象,大部分時候動態記憶體都處於低時脈的運算狀況,只有在短時間需要應用處理器需要大量運算時,動態記憶體才拉高運作時脈以支援應用處理器。

為動態記憶體提供標準的JEDEC固態技術協會闡釋了一種節省功耗的方法- 部分陣列(Partial Array Self-Refresh /PASR)自我刷新機制,其可以被應用於當只需要少量資料的運算,從而避免其他閒置的動態記憶體浪費功耗在儲存不需要的資料。即使如此,我們還是可以發現在動態記憶體中大部分被消耗的能量都是處於低時脈狀態,這是因為行動動態記憶體花了大部分的運算時間都處於低資料運算。

圖一 雖然行動動態記憶體低資料率比高資料率節省功耗,但因其佔據了大部分的應用使用時間,導致整體的消耗能量統,低資料率使用的能量反而大於高資料率的能量。

 

根據上述的使用特性,當行動動態記憶體運作在低資料率狀態時,我們可觀察得知藉由減少功率的消耗而得到裝置可延長使用的優勢。而華邦電子現已發展了一個具有提供動態延伸節省功耗的動態隨機記憶體技術。正如本文所述,只要行動裝置處於低功耗的狀態中即可搭配此技術。

 

具有節省功耗的標準動態隨機存取記憶體

JEDEC固態技術協會定義了許多節省功耗的功能,其中包括了自動溫度補償自我刷新機制(Automatic Temperature-Compensated Self-Refresh /ATCSR)、可規劃驅動強度(configurable drive strength) 以及部分陣列自我刷新機制。上述這些技術共同的特色就是可由JEDEC固態技術協會所制訂在標準內的延伸模式暫存器(Extended Mode Register Set/EMRS)操作達成。部分陣列自我刷新機制主要是使用在低資料率的情況.運作的方法是當應用處理器與動態記憶體之間傳輸的資料量比較低的時候,所有需要儲存的資料可以被只放在特定區域的陣列(Bank)記憶體區塊內。這樣操作的好處就是過去浪費在保存不需要資料區域的能量,這部分現在可以被節省。

以一個常被使用在行動電話的256Mb 位元的動態記憶體為例,如果在不需要作業系統運做許多應用程式(如待機)的省電模式下,只需不斷更新儲存的一個區塊就足夠(如系統必須保持電信連線),其它用不到的區塊就不需要再浪費能量持續刷新來保持內部資料正確,當使用部分陣列自我刷新機制模式時,所有內部的電源產生器也會進入省電模式以節能。

值的注意的是部分陣列自我刷新機制操作必須小心的去區分哪些軟體是必須持續運作的(例如作業系統)或哪些其實是不需一直都需要一直持續運作的(例如應用程式),確保適當的分隔才可使系統安全進回到正常工作模式,而不會造成系統當機。

與上述不同的,固態技術協會標準另外定義了一種深度關閉電源模式,其可以讓所有的記憶體陣列全部關閉,所有在裝置內部的電源產生器將會停止運作而且所有儲存的資料將會遺失,這些設定被定義在模式暫存器(MRS)與延伸模式暫存器中(EMRS)。一但裝置從深度關閉電源模式離開回到正常使用狀態,完整的重新初始化程序必須被執行(如圖二),這會影響記憶體操作的延遲時間,因為重新初始化程序將會引起應用處理器和記憶體內部交互作用間的延遲。

 

圖二、被定義固態技術協會標準內的動態隨機記憶體狀態機器的流程圖,其顯示了在裝置從深度關閉電源模式離開回到正常操作狀態需要重新初始化程序。

 

華邦電子所推出的延伸部分陣列自我刷新機制

從上述的陣列自我刷新機制模式是有效的,而為了更進一步省更多的電力,華邦提供了一種奠基自我刷新機制基礎下,稱之為深度自我刷新模式來進一步延伸省電機制,為華邦獨家的創新,並無定義在JEDEC固態技術協會標準。

深度自我刷新模式以一種類似陣列自我刷新機制並使用最低的刷新時脈,可以選擇一個區塊或是多個區塊來被保存資料,而不需儲存的資料就可配置到不用刷新的其他區塊,而深度自我刷新與部分陣列自我刷新機制的差異就是在不需要儲存刷新的區塊的情況下,深度自我刷新可以進入深度關閉電源模式(如圖三)

圖三、透過深度自我刷新來省更多的電是可行的,以所有8個區塊內有7個進入深度自我刷新狀態為例。

 

這套機制將有效於減少整體的能量浪費在自我刷新模式、甚至與部分陣列自我刷新機制相比都有優勢,整體的比較可以參照圖四。在圖四當中,是以華邦出產的W948D6以在部分陣列自我刷新機制所消耗的電流為例。W948D6採用46奈米製程、可以透過部分陣列自我刷新機制達到最好的節能效率,即使當所有記憶體都在自我刷新的待機模式 (IDD6) 狀態下。但如果與配備深度自我刷新機制技術的W948V6相比,我們可以知道在圖上紅色線的W948V6節省了將近40%的能源,與沒有配備深度自我刷新機制的W948D6相比,雖然其也在部分陣列自我刷新機制的狀態下。

圖四: 可以藉由配置深度自我刷新技術來節省更多能源的比較圖

 

新的深度自我刷新機制是相容於JEDEC固態技術協會標準,只需要操作獨特定義的軟體指令於延伸模式暫存器內即可。加入深度自我刷新機制的特色是沿襲過去的機制,而不需要另外改變硬體的設計,同時也不需要改變原來已經在標準內定義好的接腳。客戶可以容易的移轉原先採用的記憶體變更為配備深度自我刷新機制新記憶體(例如W948V6),在不需變動週邊電路板的設計的前提下,而只透過記憶體控制器下額外簡單的指令即可。

上面有提到在離開深度關閉電源模式時,記憶體區塊需要對所有記憶體區塊執行重新初始化程序,這表示有更多額外延遲時間在從離開深度關閉電源模式回到正常操作模式,這時間會比從部分陣列自我刷新機制回到正常操作模式還要長。

圖五、JEDEC固態技術協會標準內加入了深度自我刷新機制的狀態機器流程圖

 

華邦推出配備深度自我刷新機制的產品規劃

華邦電子規畫了許多具備深度自我刷新技術的產品,除了256Mb容量已量產的W948V6KBHX系列以外,預計還有32Mb的假靜態隨機存取記憶體(Pseudo-SRAM/PSRAM)將在2018上半年送樣,另外、1.8/1.2V 的DDR2 動態隨機存取記憶體也計畫在2018年下半年發表。

這些具有深度自我刷新技術的產品可以給手機製造商或是其他使用電池產品的製造商一種新的方法藉著消耗比較少電量的記憶體來減少整個系統能量的方法,尤其是特別適合運用在需要待機跑比較慢運算的環境時,可以減少最大的功耗。

 

林修民 技術經理

華邦電子行動動態記憶體行銷處

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