绿色环保存储器

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鉴于环境问题越来越受到人们的广泛关注,全球电子行业已开始致力于在市场上推出低能耗的产品。白色家电的能耗等级是人们关注的销售数据,参考能耗的高低有助于控制电费;现在,我们更意识到能耗低不仅可以降低电费,而且还有助于环保。
设计工程师都正努力地降低产品的功耗,希望让产品在整个生命周期(如25年)只需要一个电池即可。而目前的发展趋势是:超低功耗正为几乎不需要电池的新产品种类开路,并以“能量收成”的概念为基础 (即从环境中取得能量来为产品供电)。
这些产品的关键是能够以极低的功耗进入休眠状态,其功耗之低就像设备基本上关机,因为即使休眠状态也会消耗功率。而且只要产品在重启时能够记忆其状态,关机就不成问题。因此,具较低工作电流与高写入耐用性的非易失性存储器应运而生。具备这些特点的存储器,就可以生产出不需要插电及更换新电池的设备。
针对这些要求,我们看看非易失性串行存储器技术,即用于存储配置数据的通用存储器结构的功耗。此处比较了 F-RAM (铁电存储器)、EEPROM与闪存三种技术。因为闪存只能使用串行外设接口(SPI),我们将它与SPI版本的EEPROM与F-RAM进行比较。
为了此项研究,我们计算和比较了每种存储器技术执行写入与擦除所耗用的能量。能量是一种很好的比较方法,因为它考虑了任务的持续时间及执行任务所需的电能。
能量=功率×时间。使用公式“功率=伏特×安培”来代替功率,可以得到“能量=伏特×安培×时间”。我们选择对写入与擦除进行比较,因为这三种存储器技术在这些任务中差别最大,而读入过程即使在工作速度、电压及电流消耗不同时,对每种技术来说也都大致相同。有人可能认为,串行接口的速度在此处起到重要的作用,然而,当以不同的SPI总线速度对相同部分进行重复计算时,所消耗的总能量大致保持不变 (我相信爱因斯坦的能量守恒定律在此处适用)。
为了消除任何与计算SPI总线开销有关的问题 (比如发布命令与建立地址)的影响,我们采用了可观的数据量,准确的说是64Kb,进行比较。
此外,EEPROM与闪存技术采用页面缓冲器,让更大数量的数据可同时写入,从而加快写入过程。当数据量是页的整数时,这些页的效率最高。F-RAM 没有页面缓冲器,因为它能够以与SPI总线输送数据同样快的速度写入数据。
F-RAM与EEPROM没有擦除时间,闪存则需要相当长的时间来擦除扇区。因此,我们将比较它需要多长时间来擦除64Kb数据及写入新数据。
最后,必须知道制造商提到功耗时并不是使用一致的标准。某些设备可能指定在Vcc=1.8V下工作,但其资料表提供的却是Vcc=2.5V。此处所用的数值是资料表中规定的最差情况数值。串行数据闪存擦除页/扇区时,需要耗用大量的能量,因为这些操作耗时较长。EEPROM与闪存使用轮询 (polling) 技术,而不是等待一段最差情况所需的时间来完成操作,从而减少了两者的能量要求。资料表没有清楚显示当写入/擦除完成时,写入/擦除周期中消耗的电流是否自动逐步减少或是否继续。
以上结果表明,F-RAM技术与其他非易失性存储器技术相比具有明显优势。其能量消耗仅为位居第二的最佳替代方案的1/60,仅为运作最佳的串行数据闪存的约1/400。
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