有一種能量成本與存儲單元自身相關。這可能包括漏電流、刷新電路、或維持狀態(tài)所需的有功電流。與許多存儲器相關的總能量也可能取決于它們的規(guī)模，因為增加位線的規(guī)模會增加驅動電路的功耗，或在每個周期必須刷新的數(shù)據(jù)量。

以DRAM為例。Ternullo說，“DRAM的成本競爭力雖然不理想，但它使用必須刷新的電容單元。當你增加密度，單元容量下降——多虧了物理學定律——你必須經(jīng)常刷新。所以它們試圖變得更智能，包括諸如某些模式下的局部陣列自刷新技術，如果整個DRAM并不需要，那部分就不用自刷新?！?/p>

其他類型的存儲器，例如SRAM，擁有無源動力功率元件，這些元件只是為了維持它們的狀態(tài)。非易失性存儲器（NVM）可能有零保持電流，無法忘記周圍的邏輯。Goriawalla說，“漏電可能來自圍繞存儲核心的電路，NVM有一個使用傳統(tǒng)CMOS器件的模擬組件。這些是較大的器件，所以這些器件的柵漏相當小，但是也有數(shù)字組件會產(chǎn)生柵漏。”

接下來是讀、寫和擦除存儲單元所需要的能量。這些成本中的幾個將與存儲技術相關。Goriawalla繼續(xù)說：“對于許多類型的FLASH存儲器，寫入電流往往高于讀取電流。相比之下，多時間可編程（MTP）NVM具有相當高的能效。它們的程序電流低50倍，讀取電流低10倍。 其原因是存儲電荷的機制。在MTP存儲器中，利用Fowler Nordheim（FN）電子隧穿，比嵌入式閃存使用的熱載流子注入更節(jié)能?！?/p>

另一個考慮是訪問機制。例如，許多Flash技術需要串行訪問。CEA-Leti的高級系統(tǒng)和集成電路架構師Michel Harrand表示：“利用一些新興的存儲技術，你可以隨機訪問它們，無需順序訪問。你需要一些能量來寫入一位，可能是10微安，這比DRAM略大，但DRAM是破壞性讀出。當你讀取一位時，你要讀取完整的字線，然后你必須重寫所有。新興的NVM可以節(jié)省一些能量，即便它們寫入一位需要更多的能量。它們不需要刷新。它會在你要寫入的位數(shù)之間進行權衡。所以很難有確切的數(shù)字，因為它取決于你寫入以及讀取的位數(shù)。”

進出存儲器的數(shù)據(jù)必須通過某種總線傳輸。Ternullo說：“存儲器的大部分功耗與接口本身相關。在某些情況下，你面對的是難以改變的物理學規(guī)律。如果遵循這些標準，則I/O電壓會發(fā)生變化，以幫助緩解這種情況。原來1.5V的DDR3已經(jīng)變成了1.2V的DDR4和1.1V的LPDDR4。 從動態(tài)功率的角度來看，電壓是關鍵組件，當你降低電壓時可以降低動態(tài)功耗。”

降低接口成本的另一種方法是在芯片上集成，但是DRAM不能被嵌入，而且縮小Flash變得越來越困難。Goriawalla說：“系統(tǒng)功耗受到掩膜數(shù)量等因素的影響。與CMOS技術相比，嵌入式閃存需要12-14個額外的掩膜，并且可以增加25％的芯片裸片成本?！?/p>

還有其他因素會影響存儲器的總功率，如系統(tǒng)的體系結構。緩存的設計是通過在芯片上放置少量快速、高功耗的存儲器以減少訪問時間，并且當所需的信息不在緩存中時，僅需要訪問外部存儲器。這減少了與訪問外部存儲器相關的時間和能量。如果在高速緩存中可以存儲足夠的數(shù)據(jù)，則可以最小化接口功率。

但因為SRAM 是高功耗的，所以物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)希望減少對其的依賴。然而，許多閃存器件，特別是在芯片外時，需要大量的SRAM。Intrater說：“無論何時，當處理器需要一個不在緩存中的程序時，處理器將從外部存儲器獲取必要的程序，然后繼續(xù)。我們希望大部分程序都在緩存中。 閃存變成了內(nèi)存層次結構的一部分。”

但這正在改變?！坝幸粋€名為‘就地執(zhí)行’（XIP）的特征，此處你使用穿行NOR flash就像片外存儲器。您可以讓處理器直接從串行NOR flash讀取數(shù)據(jù)，就像存儲器一樣。

另一個影響功耗的因素是讀寫的規(guī)模。當使用DDR時，單字節(jié)或字不會一次讀取，而是可能突然讀取512或1024。如果這是一個很好的能量使用，又如果不需要額外的字節(jié)讀取，那么它依賴于應用程序，因此代表了浪費。這是一個示例，其中性能已成為驅動問題，并且對于許多系統(tǒng)可能是昂貴的功耗權衡。

A similar type of problem exists with NAND-type flash memories that are unable to write to a single location， instead requiring that a block of memory is first erased and then rewritten. This means there is a power penalty associated with small writes. An SRAM cache， even though it consumes more power， defers writes and may finish up providing energy savings.

NAND FLASH存儲器也存在類似的問題——不能寫入單一位置的，需要先擦除并隨后重寫存儲器塊。這意味著存在與小寫入相關聯(lián)的功率代價。 SRAM緩存，即使它消耗更多的功率，延遲寫入，但是可能提供節(jié)能。

對于許多系統(tǒng)，現(xiàn)有的內(nèi)存技術可能太耗電。Goriawalla說：“對于使用能量收集的系統(tǒng)。它們通常需要寫入電流小于5μA，讀取電流為幾μA/ MHz。這加上了VDD的最小值 0.7 ~ 0.9V。所以我們談論的是微小系統(tǒng)的功耗需求。 這些數(shù)字比大多數(shù)嵌入式閃存技術的數(shù)量級小?！?/p>

其他注意事項

同樣，成本有許多方面，其中一些已經(jīng)討論過。功耗對成本有直接影響，但其他因素包括引腳數(shù)量、封裝、芯片內(nèi)的成本，以及與板上集成相關的成本。

Intrater說：“小系統(tǒng)往往擁有位于同一芯片裸片的嵌入式閃存。但也有局限性。我們看到系統(tǒng)要遷移到28nm，但在流程節(jié)點沒有嵌入式閃存。閃存滯后于標準CMOS工藝。如果可以使用嵌入式閃存，那么這就是始終不變的最優(yōu)解。但在許多情況下，這樣卻并不可行，原因在于成本，或者系統(tǒng)的其他部分需要更積極的過程節(jié)點。然后你需要恢復使用外部內(nèi)存器，并開始遇到性能和功耗的問題。兩者之間的聯(lián)系需要具有正確的特性，以提供足夠的性能，并且消耗更多的功率?！?/p>

這一判決對于新的內(nèi)存類型變得更容易。 Harrand說：“在同一芯片上與邏輯一起進行閃存處理是很困難的。新存儲器很友好，一切都在生產(chǎn)過程的后端。 這意味著在邏輯過程中可以有完全相同的晶體管，這使得它更容易嵌入邏輯或處理器。28nm使得嵌入式閃存過程變得很困難，所以我們有機會替換嵌入式閃存與這些新的記憶?！?/p>

許多互連架構針對現(xiàn)有存儲器類型進行了優(yōu)化。Harrand說：“DDR接口不太適合NVM。使用DDR，首先要聲明你想要尋址的行或頁面，然后聲明你是要讀取或寫入。這對于新興的NVM是不利的，因為如果你想要讀取或寫入，你一開始就必須知道。”Harrand表示，有辦法克服這一限制，但它們會降低性能。

另一個障礙是接受新的權衡。Harrand繼續(xù)說，“今天，我們可以擁有具備足夠續(xù)航力的高度DRAM，但是無法擁有高密度，但是可以同時擁有速度和續(xù)航力。會有一些被優(yōu)化接近DRAM，并具有完整的保留，或者有一些會有數(shù)日的保留，但并不是10年的保留，或者有一些會有優(yōu)化保留，但他們沒有速度?！?/p>

目前尚不清楚何時以及哪些新的存儲器將首先打破障礙，但微控制器的出現(xiàn)將這些新的存儲器嵌入到其中。隨著數(shù)量的增加，成本將下降，這將加速它的應用。不久后，許多物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將別無選擇，尤其是如果它們想利用新的制造技術節(jié)點的話。

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