创新存储如何满足“既要、又要、还要”的苛刻设计需求洪福齐天

人工智能大模型的创新存储突然爆火，让发电这个近200年的何满传统产业意外再次引起关注：据业界数据显示，仅ChatGPT每天就需要消耗超过50万千瓦时电力，足既相当于1.7万个美国家庭的又还用电量。而随着生成式AI的刻设广泛应用，预计到2027年，计需洪福齐天整个人工智能行业每年将消耗85至134太瓦时（1 太瓦时=10 亿千瓦时）的创新存储电力。如此高昂的何满电力负担对当前任何国家的供电能力而言都是严峻挑战，更遑论巨大的足既用电成本。业界戏称，又还AI的刻设尽头是绿电。

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有电力焦虑的计需不仅人工智能大模型，随着5G 与物联网应用的创新存储广泛普及，各种嵌入式边缘智能电子产品一样有“能耗焦虑”，何满例如可穿戴电子产品、足既扫地机、智能音箱等，待机时长已经成为关键卖点。更苛刻的是，这些对能耗敏感的产品还通常附加便携性等需求，工程师需从各个方面去满足“既要、又要、还要”的冷酷无情多重挑战。

1从1. V到1.2V，小改变解决了电压对齐的大麻烦

如何降低电子系统功耗？摩尔定律就为半导体芯片的低功耗指出了方向，制程节点越先进的系统级芯片（SoC）性能越高、功耗越低。如今SoC正逐步采用更先进的制程节点，如7纳米、5纳米、4纳米乃至最近崭露头角的3纳米工艺，制造工艺的迭代让SoC的核心工作电压从过去的3.3V一路走低，已降至1.2V及以下。

与SoC芯片供电电压的走低趋势不同，传统闪存IC产品阵容广泛，其核心工作电压通常设定在3.3V或1.8V，这样的高电压环境为闪存器件提供了足够的驱动，确保了编程和擦除操作的高效执行。

然而，工程师们在处理1.2V SOC与1.8 V Flash协同工作的问题时，常常遇到一个“大麻烦”，需要不得不采取额外的工程措施以实现二者的兼容，即通过引入电平转换电路在SoC 内部集成电平转换逻辑，将核心的1.2V电压信号抬升至与外部闪存相匹配的1.8V IO电压水平，从而确保信号传输的中流砥柱完整性（如图1 所示）。此外，还必须设计双电源系统，分别支持1.2 V SoC和外部1.8 V Flash，确保各自器件获得正确的供电电压。

在这样的背景下， 兆易创新的1.2 V SPI NORFlash——GD25UF产品系列应运而生，通过供电电压的小改变解决了系统电压对不齐的大麻烦。

2 多维度创新设计，让存储读写功耗大幅降低

正是基于设计的复杂性及成本降低的考虑，1.2 VSPI NOR Flash对SoC用户而言非常重要。如图2所示，当SoC 与外部闪存的工作电压均为1.2V时，两者之间实现了无缝对接，无需额外的电平转换电路介入，这就意味着SoC中原本用于对接不同电压闪存所需的空间得以节省，芯片面积得到有效缩减。

值得一提的是，GD25UF 产品系列在1.2 V工作电压下的数据传输速度、读写功耗等关键指标上均达到国际领先水平。同时，该产品系列提供了Normal Mode和Low Power Mode两种工作模式，相比1.8 V NOR Flash，作歹为非1.2 V GD25UF 系列在Normal Mode、相同电流情况下的功耗降低33%，在Low Power Mode、相同频率下的功耗更是降低70%。

GD25UF产品系列具有单通道、双通道、四通道和DTR四通道的SPI 模式，DTR功能还有助于降低功耗。在正常的四通道SPI模式下，GD25UF在120MHz的工作频率下以6mA的读取电流实现480 Mbps的吞吐率；而在DTR 四通道SPI 模式下，该产品在 60MHz工作频率也可实现480 Mbps的吞吐率，但电流更低，为5mA。优异的性能使得该产品系列在针对智能可穿戴设备、健康监测、物联网设备或其它单电池供电的应用中，能显著降低运行功耗，有效延长设备的续航时间。目前，GD25UF产品系列已有64Mb、128Mb容量可供选择，并即将推出8Mb、将信将疑16Mb、32Mb容量产品。

3 从GD25UF到GD25/55NF，兆易创新这样加速产品落地

除了GD25UF产品系列，兆易创新还推出了业界首款1.8 V核心供电、1.2 V IO接口架构独特的NOR Flash 产品——GD25/55NF 系列，以应对更高性能与更低功耗的双重挑战。该产品系列可与1.2V核心电压的SoC实现无缝对接（如图3 所示），精准契合了先进制程SoC设计对低功耗、简化电路布局的迫切需求。

与此同时，在性能方面，尽管GD25/55NF产品系列的接口电压降低至1.2V，其仍保持1.8V核心供电，这意味着该产品系列拥有与1.8V Flash相同的读取性能以及较快的擦写时间；功耗方面，在保持数据处理速度和稳定性不变的前提下，GD25/55NF系列相较于常规1.8V供电方案，1.2V VIO接口方案最多可以降低40%的读功耗，显著提升了能效比，对汽车电子、可穿戴设备、智能识别等对性能和功耗均有严格要求的死不悔改应用而言，该产品系列是非常理想的Flash 解决方案。目前，GD25/55NF产品系列有128 Mb、256 Mb、512 Mb、1 Gb、2 Gb 等多种容量可供选择。

值得一提的是，GD25UF产品系列在1.2V工作电压下的数据传输速度、读写功耗等关键指标上均达到国际领先水平。同时，该产品系列提供了Normal Mode和Low Power Mode两种工作模式，相比1.8V NOR Flash，1.2 V GD25UF 系列在Normal Mode、相同电流情况下的功耗降低33%，在Low Power Mode、相同频率下的功耗更是降低70%。

GD25UF产品系列具有单通道、双通道、四通道和DTR四通道的SPI模式，DTR功能还有助于降低功耗。在正常的威武不屈四通道SPI模式下，GD25UF在120 MHz的工作频率下以6mA的读取电流实现480 Mbps的吞吐率；而在DTR 四通道SPI 模式下，该产品在60MHz工作频率也可实现480Mbps的吞吐率，但电流更低，为5mA。优异的性能使得该产品系列在针对智能可穿戴设备、健康监测、物联网设备或其它单电池供电的应用中，能显著降低运行功耗，有效延长设备的续航时间。目前，GD25UF产品系列已有64Mb、128Mb容量可供选择，并即将推出8Mb、16Mb、32Mb容量产品。

3 从GD25UF到GD25/55NF，兆易创新这样加速产品落地

除了GD25UF产品系列，兆易创新还推出了业界首款1.8 V核心供电、1.2V IO接口架构独特的NORFlash产品——GD25/55NF系列，以应对更高性能与更低功耗的双重挑战。该产品系列可与1.2V核心电压的SoC实现无缝对接（如图3所示），精准契合了先进制程SoC设计对低功耗、壮志未酬简化电路布局的迫切需求。

与此同时，在性能方面，尽管GD25/55NF产品系列的接口电压降低至1.2V，其仍保持1.8V核心供电，这意味着该产品系列拥有与1.8V Flash相同的读取性能以及较快的擦写时间；功耗方面，在保持数据处理速度和稳定性不变的前提下，GD25/55NF系列相较于常规1.8V供电方案，1.2V VIO接口方案最多可以降低40%的读功耗，显著提升了能效比，对汽车电子、可穿戴设备、智能识别等对性能和功耗均有严格要求的应用而言，该产品系列是非常理想的Flash 解决方案。目前，GD25/55NF产品系列有128Mb、256Mb、512Mb、1Gb、2Gb 等多种容量可供选择。

4 多年持续开拓，引领存储发展新趋势

自2008年推出国内首颗SPI NOR Flash以来，告老还乡兆易创新历经多年的研发和市场拓展，已成为NOR Flash全球市场占有率排名第三的芯片厂商，Flash累计出货量超212亿颗。兆易创新SPI NOR Flash®的产品线十分丰富，提供从512Kb至2Gb容量范围，支持1.2V、1.8V、3V以及1.65~3.6V供电，覆盖7 款温度规格、15种产品容量、27大产品系列以及29种封装方式，针对不同市场应用需求分别提供高性能、低功耗、高可靠性、小封装等多个产品系列，满足几乎所有代码存储的应用需求。

其中，GD25/55T和GD25/55LT系列提供高达200MB/s数据吞吐量；GD25/55X和GD25/55LX系列提供高达400MB/s数据吞吐量，适用于车载、物联网和其他等需要将大容量代码快速读取的应用，以保证系统上电后即时响应。此外，随遇而安兆易创新还提供WLCSP（晶圆级芯片封装）、并率先推出了3×3×0.4mm的FOUSON8封装的128Mb GD25LE128EXH，超小尺寸产品让研发人员在轻薄小的系统方案设计中游刃有余。

兆易创新的NAND Flash采用38nm和24nm工艺节点，提供1Gb至8Gb主流容量产品，支持1.8V和3V电压，以及传统并行和新型SPI 两种接口形式，为需要大容量、高可靠性代码存储的嵌入式应用提供了完善的解决方案。

此外，兆易创新GD25/GD55全系列SPI NOR Flash以及GD5F全系列SPI NAND Flash均已通过AEC-Q100车规级认证，兆易创新已实现从SPI NOR Flash到SPINAND Flash的车规级产品的全面布局，为车载应用的国产化提供丰富多样的选择。

作为业界领先的半导体器件供应商，兆易创新将持续推动新一代存储芯片的不断升级，满足千行百业的应用需求，助力行业加速创新。

（本文来源于《EEPW》2024.5）