糾錯代碼 (ECC) 不僅可以增加存儲密度和帶寬，還能保持功耗中性和可靠性。本白皮書將詳細(xì)介紹個中原因以及美光 LPDDR4/LPDDR4x 如何實(shí)現(xiàn) ECC 的承諾。

LPDDR 存儲的發(fā)展歷程
       隨著新的移動設(shè)備應(yīng)用不斷增多，手機(jī)和平板電腦設(shè)計(jì)師始終面臨這樣一種挑戰(zhàn)，那就是如何在不影響電池續(xù)航時間的情況下增加存儲吞吐量。
2014 年推出的 LPDDR4 標(biāo)準(zhǔn)與 LPDDR3 相比，數(shù)據(jù)傳輸速率高出一倍，工作電壓有所降低，既能提高性能又能延長電池續(xù)航時間，使移動用戶的體驗(yàn)得到顯著改善。2016 年推出的
LPDDR4x 可提供比標(biāo)準(zhǔn)LPDDR4 存儲高出多達(dá) 20% 的能效，進(jìn)一步延長了電池續(xù)航時間。

圖 1：移動平臺的峰值吞吐量

       LPDDR4    存儲對于可穿戴電子設(shè)備之類的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用非常重要，因?yàn)楣氖沁@些應(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)計(jì)約束因素之一。對于汽車應(yīng)用，LPDDR4  的高帶寬和功耗優(yōu)勢使之成為車載子系統(tǒng)（如中央控制臺和高級駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)）的理想選擇。

DRAM 發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

LPDDR4  規(guī)范旨在適應(yīng)DRAM   加工技術(shù)的不斷發(fā)展，其中包括縮小存儲單元的尺寸。為了在更小的空間內(nèi)保持相同的單元電容，需要運(yùn)用更復(fù)雜的制造工藝。隨著單元尺寸的縮小，單元接入設(shè)備的功能弱化，位線和列線的電阻逐漸增加，而這兩點(diǎn)都會導(dǎo)致每個存儲單元達(dá)到最高蓄能的用時增加。由于這些因素的影響，制造商要在過渡到新工藝的同時保持良率和可靠性會越來越困難。
單比特錯誤

限制 DRAM 良率的主要因素是單比特錯誤。在這些錯誤中，有一小部分可能是“硬”故障位，即比特位卡在 1 或 0。此類故障都需要使用冗余元素進(jìn)行修復(fù)。當(dāng)然，大多數(shù)情況下發(fā)生故障的單比特位都很微不足道；只要它們的刷新頻率足夠高或?qū)懭霑r間較長即可正常工作。
修復(fù)這些位（在陣列中僅占很小比例）需要增加冗余元素的數(shù)量，而這會導(dǎo)致芯片的尺寸增大、復(fù)雜性提高。需要注意的是，DRAM 寫入恢復(fù)時間 (tWR) 以及 64ms 或 32ms 刷新規(guī)范的設(shè)定非常保守，旨在使大部分弱位都能通過。若沒有這些弱位，刷新和 tWR 規(guī)范就可以大幅放寬，從而帶來性能和功耗方面的優(yōu)勢。
可變刷新時間位

隨著各項(xiàng)工藝的縮減，另一個日益普遍的現(xiàn)象是可變刷新時間位（即  VRT   位）故障。這是一種偶然發(fā)生的隨機(jī)單比特故障，發(fā)生的原因在于 DRAM 加熱（即執(zhí)行焊接回流以裝配插件）后，它們的刷新時間會發(fā)生變化。盡管這些VRT 位較為罕見，但若在 DRAM 通過制造商的最終測試之后發(fā)生此類故障，將會非常麻煩，因?yàn)榇藭r修復(fù)已經(jīng)非常困難甚至無法進(jìn)行。
為了降低封裝后維修或報(bào)廢零件的成本，保持可接受的現(xiàn)場故障率，DRAM 制造商目前會在比規(guī)范要求嚴(yán)格得多的條件下測試存儲位。這樣做的目的是預(yù)先找到可能發(fā)生故障的VRT      位。

雖然這種測試在很大程度上是有效的，但卻會降低良率。更加嚴(yán)格的測試可能導(dǎo)致嚴(yán)重的“過度殺傷”，因?yàn)樵谧R別真正的 VRT 芯片的過程中，將有大量實(shí)際上并不會產(chǎn)生 VRT 故障的芯片被丟棄。此外，任何測試都不是完美的，有些 VRT 可能逃脫，最后仍會到達(dá) OEM 那里。鑒于 VRT 位一直以來造成的這些問題，存儲制造商需要實(shí)施新技術(shù)來提高未來設(shè)備的可靠性并控制其成本。

縮小存儲單元導(dǎo)致存儲制造商面臨的挑戰(zhàn)加劇。存儲制造商需要實(shí)施新技術(shù)來提高未來設(shè)備的可靠性并控制其成本。ECC 就是這樣一種技術(shù)，美光科技將ECC 應(yīng)用到了移動LPDRAM 中。

ECC 技術(shù)提供了一種有效的方法來消除隨機(jī)單比特錯誤， 從而提高系統(tǒng)可靠性。

糾錯代碼的優(yōu)勢

糾錯代碼  (ECC)  是一項(xiàng)成熟的存儲技術(shù)，被廣泛用于各種應(yīng)用以提高可靠性。ECC  利用漢明碼為存儲

IC 提供更高水平的冗余。漢明碼會生成少量奇偶校驗(yàn)位，與用戶數(shù)據(jù)一起存儲在存儲陣列中。借助漢明碼，可以用少量比特位來保護(hù)更長的數(shù)據(jù)字。例如，美光科技的 LPDDR4 設(shè)備使用 8 個奇偶校驗(yàn)位為 128 位數(shù)據(jù)字提供糾錯。這些奇偶校驗(yàn)位可用于檢測和糾正 128 位數(shù)據(jù)字中的單比特錯誤。
糾正單比特錯誤

每次數(shù)據(jù)寫入存儲時，相關(guān)的奇偶校驗(yàn)位便會隨之更新。讀取數(shù)據(jù)時，DRAM 會驗(yàn)證整個 136 位
（128 個數(shù)據(jù)位+ 8 個奇偶校驗(yàn)位）代碼字的完整性。如果檢測到單比特故障（例如，裝配后出現(xiàn)一個 VRT 位），ECC 將自動糾正該錯誤。鑒于同一代碼字中出現(xiàn)兩個單比特錯誤的可能性極小，可以說ECC   技術(shù)提供了一種有效的方法來消除隨機(jī)單比特錯誤。

由于 ECC 是一項(xiàng)被動技術(shù)，因此它會自動檢測并糾正錯誤，無需開發(fā)人員干預(yù)。此外，糾正過程對系統(tǒng)的其余部分完全透明。
降低總體擁有成本

在 LPDDR4 中加入  ECC  的另一個優(yōu)勢在于，從功耗、性能和成本角度考慮，它可以降低總體擁有成本 (TCO)。例如，在 LPDDR4 中加入 ECC 會使有功功率略有提高（約 5-7%）。這是因?yàn)榇鎯吞幚?br/>

ECC  校驗(yàn)位奇偶所需的存儲位和邏輯電路增加了。同時，ECC  可以大幅降低待機(jī)和刷新功耗。設(shè)備處于睡眠模式時，基于 DRAM 的存儲需要定期刷新，以替換各個存儲單元中的泄漏電流。ECC  的使用可以增加可靠性，從而使 DRAM 能夠降低自刷新率。對大多數(shù)低功耗應(yīng)用而言，面對 ECC  帶來的可靠性提升及出色的待機(jī)效率，有功電流的小幅增加已經(jīng)無關(guān)緊要了（參見圖 2 和圖 3）。

圖 2：LPDDR4 功耗對比（低功耗使用案例）

圖 3：LPDDR4 功耗對比（中高功耗使用案例）

高效節(jié)能
       采用ECC 的LPDDR4 的出色能效還有助于 OEM 在遷移或過渡到新一代移動設(shè)備時實(shí)現(xiàn)功耗中性；換言之，他們可以提供更強(qiáng)大的功能，而不需要更大的電池，也不會對工作壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。

DRAM 的故障率取決于多種因素，包括 SOC、散熱設(shè)計(jì)、DRAM 密度、DRAM 工廠工藝和測試。單比特錯誤是最常見的已確認(rèn)故障根源。ECC  能夠有效處理單比特故障模式，顯著增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性和早期使用期限故障率  (ELFR)  性能。

       在性能方面，采用ECC   技術(shù)會使讀取延遲略有增加，但仍在指定讀取延遲值的范圍之內(nèi)。此外，為了使   DRAM   時間能夠計(jì)算奇偶校驗(yàn)位，還需要增加寫入延遲。此時間已體現(xiàn)在18ns 的tWR 規(guī)范中（與適用于LPDDR3 的 15ns 規(guī)范相比）。
       有些業(yè)內(nèi)人士已考慮遷移至 45ns 的 tWR 規(guī)范以解決擴(kuò)展問題。納入 ECC 技術(shù)可以減少在 LPDDR4  規(guī)范中增加此時間的必要性。除了可以彌補(bǔ)讀取延遲少量增加造成的性能損失，免于增加tWR   還會帶來其他好處。
       ECC 還需要小幅增加芯片大小，來容納奇偶校驗(yàn)位和 ECC 邏輯。不過，它為 OEM 帶來的高可靠性以及為   DRAM   制造商帶來的高良率和低測試成本足以彌補(bǔ)這部分成本。
另外，ECC 還可以改善 LPDDR4 在高溫下的性能。溫度每升高 10 ℃，DRAM 的刷新要求會增長約一倍，DRAM 的標(biāo)準(zhǔn)最高溫度是 85 ℃。移動 DRAM 也不例外；盡管通常支持高達(dá)105 ℃ 的工作溫度，但指定刷新率針對的溫度是 85 ℃。當(dāng)工作溫度為 85-95 ℃ 時，存儲控制器提供的刷新率(tREFI) 必須增加一倍；當(dāng)工作溫度為 95-105 ℃ 時，則必須增加三倍。這意味著，在 95-105 ℃ 下工作的 8Gb LPDDR4 存儲需要用 18% 的時間運(yùn)行全存儲體刷新命令（這部分時間不能用來執(zhí)行實(shí)用功能），而且還會消耗大量電源。或許可以在后臺執(zhí)行單存儲體刷新，但刷新過程幾乎不能間斷。當(dāng)然，隨著未來的設(shè)備密度越來越高，這種情況會變得更糟。
       由于設(shè)定的刷新率非常保守，采用ECC 的 DRAM 大約可按規(guī)范中所規(guī)定刷新率的四分之一進(jìn)行刷新。這樣可以節(jié)約大量能耗，尤其是在高溫條件下。除此之外，它還能減少上述性能影響，盡管這會導(dǎo)致目前的JEDEC  規(guī)范發(fā)生變化。
對于工作溫度需要達(dá)到 105 ℃ 以上的汽車或其他應(yīng)用，采用ECC 的DRAM 可能是唯一可行的選擇。采用 ECC 的 LPDDR4 設(shè)備可以在 115-125 ℃ 的溫度范圍內(nèi)正常工作，并能提供非 ECC 設(shè)備在 95-105 ℃ 溫度范圍內(nèi)提供的刷新性能。此溫度范圍正是使用了邊緣存儲解決方案（microSD    卡）的企業(yè)級部署所具備的典型系統(tǒng)特征。

總結(jié)
       為了跟上當(dāng)今移動、汽車和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展步伐，開發(fā)者和存儲制造商持續(xù)面臨著如何在增強(qiáng)存儲性能的同時兼顧功耗和可靠性的挑戰(zhàn)。縮小芯片尺寸給制造工藝帶來的難題往往會影響存儲可靠性，使得滿足上述要求變得更具挑戰(zhàn)性。
美光科技采用 ECC 技術(shù)的 LPDDR4 和 LPDDR4x 存儲提供了一種有效的方法來消除其中一些挑戰(zhàn)，同時為當(dāng)今的新一代設(shè)備提供了高帶寬和功耗優(yōu)勢。通過采用 ECC，可以自動檢測和糾正單比特錯誤， 從而提高可靠性。待機(jī)和刷新功耗有所降低，因而可實(shí)現(xiàn)新一代設(shè)備所需的低功耗功能。高溫條件  下的性能得到提升，使工作溫度較高的汽車及其他應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)所需的功耗中性。
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