芯片设计：SRAM的原理和使用原则

芯片设计中经常用到SRAM来存储数据，例如使用SRAM来实现FIFO、Queue、cache等存储体。但是SRAM的种类和参数比较多，因此选择一个合适的SRAM非常重要，本文主要介绍SRAM的原理和常见使用原则。

1. SRAM的基本原理

SRAM的全称为Static Random Access Memory，即静态随机存取存储器。SRAM是一种基于触发器存储数据的存储器，其存储单元通常由六个晶体管组成，形成一个双稳态电路，如下图所示。

这种电路有两个稳定状态，代表数据的0和1。只要保持通电，数据就可以稳定保存，不需要像DRAM那样定期刷新。所以，“静态”就是指SRAM在通电时数据稳定保存，但断电后数据会消失。

2. SRAM常见分类

按照端口分类：SRAM可以分为单端口（Single-Port，SP）、伪双端口（Two-Port，TP）、（真）双端口（Dual-Port，DP）等。

单端口SRAM：只有一个端口，即只有一组数据和地址线，每次只能单独进行读或写操作，不能同时读和写。如下图所示。

伪双端口SRAM：有两个端口，但是一个端口只能读，一个端口只能写。因此有一组写地址和写数据线，还有一组读地址和读数据线，可以同时进行读和写操作。如下图所示。

双端口SRAM：有两个端口，有两组地址和数据线，每个端口都可以进行读/写操作，因此可以同时进行读和写操作。如下图所示。

按照电压阈值（Voltage Threshold，VT）分类：可以分为HVT（High VT）、SVT（Standard VT）、LVT（Low VT）、ULVT（Ultra Low VT）等。阈值电压越低，速度越快，但功耗也越大。因此需要在速度（时序）和功耗之间做权衡处理。

按照校验方式，可以分为奇偶校验、ECC校验等。

奇偶校验算法实现方简单，具有成本低的优势。只需在数据中添加一位奇偶校验位，通过计算数据中 1 的个数，若采用奇校验，则使包括校验位在内的 1 的总数为奇数；若采用偶校验，则使 1 的总数为偶数。奇偶校验仅能检测奇数位的翻转，对于偶数位的错误则检测不出来，并且没有纠错能力。

ECC校验通常使用1 - bit 纠错、2 - bit 检测机制（SEC - DED），该机制在编码和解码过程中产生的延迟较小，适合应用于高速路径。

按照厂商来分，SRAM厂商有台积电、Synopsys、三星等。

3. SRAM使用一般原则

在芯片设计中，需要综合考虑时序、面积、功耗等因素来选择合适的SRAM。

端口类型选择：一般优先选择单端口SRAM，其次是选用伪双端口SRAM。不建议使用真双端口SRAM，因为真双端口SRAM的面积和功耗会比较大。

SRAM阈值电压类型选择：一般优先选择SVT、LVT阈值电压，在满足时序的情况下降低功耗。

SRAM校验方式选择：奇偶校验的成本低、检测方式比较简单，常用于对成本敏感、对错误检测要求不高、不需要场景，如FIFO校验等。片上SRAM通常采用SEC - DED ECC，这种配置能够有效检测并纠正单比特错误，并且可以检测双比特错误。

SRAM的supply分为dual-rail和single-rail。dual-rail有两根电源线VDDCORE和VDDM，要求压降小于0.5mV。如果统一使用single-rail代替dual-rail，面积收益大概为3%。同时又10%的静态功耗收益。但是很少有公司这么做，因为一个vdd的话，外部数字逻辑负载对vdd压降影响比较大。可能导致相邻bit数据出现问题。

参考：

ic基础|存储器篇03-一文带你了解芯片中的单口ram、伪双口ram和真双口ram

https://zhuanlan.zhihu.com/p/460654301?share_code=1a4Dy3aUsDS3h&utm_psn=1940440380286953270