定制化存储器能否简化SoC设计？

设计团队在规划全新片上系统（SoC）项目时，往往不会将存储器定制列为首要工作，但这项工作其实理应得到重视。

这个观点或许并不直观。众所周知，静态随机存取存储器（SRAM）在绝大多数SoC中都会占据大量芯片面积，而SRAM阵列的运行速度与功耗，会直接影响整颗芯片的综合性能和能效表现。

如今的存储器编译工具功能十分灵活，可支持多种单元架构设计。以Faraday的14FFC存储器编译器为例，该工具提供八种不同版本，分别针对高密度、高性能、超低功耗等各类需求做了优化。既然通用工具已经如此完善，为何还需要采用定制化存储器方案？

定制位宽与存储字长

选择定制存储器的原因之一，是项目需要非常规的字长或位宽。简单的定制改造，就能让SRAM架构精准匹配特定应用场景，而非只能选用编译器生成的近似配置方案。

在布局规划阶段，或是更棘手的时序收敛阶段，调整SRAM单元的宽高比，往往能化解设计难题。这类定制复杂度更高，需要同步调整阵列布局、布线、多路选择器、驱动电路以及存储单元架构。

近期完成的一款数兆比特级别的SRAM阵列设计，其宽高比接近1:19。该存储架构可无缝适配面向图像处理的帧缓存应用。这款特殊比例的存储器经过精密设计，能够满足大位宽输入输出，以及非标准2的n次幂列多路复用的特殊需求。

图1本案例中特殊比例存储器尺寸：横向1775微米，纵向95微米。调整SRAM单元的非常规宽高比，可有效化解设计难题。

良率与可靠性优化

通用存储器编译器通常仅为存储单元配置固定数量的冗余列。当某一存储位出现故障时，电路可切断故障列，并调用冗余列进行替换。这种方式在仅有少量列出现故障时效果良好。

但部分设计对防护能力有更高要求，需要同时配备冗余列与冗余行。通过对存储阵列进行定制设计，即可增加额外的存储单元、布线与逻辑电路，实现行列双重冗余保护。

图2该存储器同时配置冗余行与冗余列，强化故障防护能力。

车载芯片实战案例

下面结合近期参与的SoC项目，进一步说明存储器定制的应用场景。该项目为一款车载核心安全级SoC，客户要求器件满足汽车一级标准（AG1），工作环境温度区间为-40℃至125℃。

按照车载电子设备的通用标准，该芯片还需具备超长使用寿命，同时必须通过ISO26262功能安全认证，这就要求在设计阶段完成全面的故障分析并留存完整文档。这个项目充分体现了存储器定制的精细化要求，也反映出定制存储器配套服务的完整范畴，包括技术分析、资料编制、设计支持与测试服务等。

经评估，现有通用工具生成的存储阵列，虽能在汽车一级标准的温度范围内短期稳定运行，但无法满足长期使用寿命要求，因此重点针对电路老化问题进行优化。

首先是存储阵列字线与位线的大电流问题。客户担忧，芯片长期在高温环境下工作，大电流会引发电迁移现象，最终导致芯片失效。对此，我们重新设计了线路驱动电路与存储阵列，在保证阵列性能、信号完整性和线路控制逻辑不变的前提下，降低了电迁移风险。

偏置温度不稳定性（BTI）是影响芯片寿命的另一大隐患。长期高温工作会导致MOSFET的阈值电压出现明显漂移。并且N型与P型场效应管受偏置温度不稳定性影响的老化速率存在差异，会造成信号上升沿与下降沿的时序逐步偏移。当两路极性相反的信号时序配合存在严格要求时，这种偏移最终会引发电路故障。针对该问题，我们对存储器架构做了专项优化。

此外，我们还全面排查了其余控制逻辑，预判长期运行下可能出现的竞争冒险问题，并预留时序裕量，抵消阈值电压漂移带来的影响。改造完成后，这款SRAM的预期使用寿命得到大幅提升。

功能安全合规要求

通过ISO26262认证是本项目的另一项硬性要求。这套严苛标准贯穿整个设计流程，要求设计方识别芯片所有失效模式、定位根本诱因并给出解决方案，相关要求同样适用于项目所使用的知识产权（IP）核及原有电路，定制存储器团队也需按要求出具全套合规文档。

认证主要需要两份核心文件：设计失效模式及影响分析报告（DFMEA）与安全手册。前者会逐一梳理IP核可能出现的各类故障、故障诱因以及对应的整改措施；后者则面向芯片与系统设计人员，指导其正确集成和使用该IP核。

举个例子，设计失效模式及影响分析报告会记录存储单元位翻转、造成SRAM数据损坏这一故障类型，同时列明诱因：阵列违反设计规则、辐射干扰、器件老化等。针对每一项诱因，都会标注对应的预防与检测手段、剩余故障风险评估，以及后续优化建议。

安全手册则明确IP核的使用规范，确保集成过程不超出设计额定条件，内容包括：输入信号范围、供电电压、噪声阈值、衬底噪声与工作温度上限、输出负载参数、最大占空比限制等。

为何选择定制化存储器设计？

以上案例可以看出，定制存储器能够让存储阵列完全匹配特定SoC的功能、时序与布局需求，也可满足高规格的性能、环境适应性与可靠性指标。

想要协助客户完成整颗SoC研发，仅提供定制SRAM阵列的设计文件远远不够。合作方还需全程配合SoC团队完成集成工作，提供验证与测试技术支持，并完整梳理定制存储器的各项参数与使用规范。

与此同时，合作方还要与芯片代工厂紧密协作，保障产品良率；配合测试厂商，确保存储阵列的测试覆盖度达标。如果合作方自身具备测试能力，将进一步提升项目推进效率。