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嵌入式内存有了新选择

在此情况下,伪静态随机存取存储器(PSRAM)凭借独特的技术架构脱颖而出,成为嵌入式内存领域的新选择。这种融合了 SRAM 接口便利性与 DRAM 存储密度优势的创新产品,正在重塑嵌入式存储的市场格局。
百度 保护城市湿地生境,提高城市环境是市民共同的事业,维护城市湿地健康的生态环境必须靠市民的共同努力。

本文来自微信公众号“半导体产业纵横”,【作者】鹏程。

随着数字化的发展,嵌入式系统已成为支撑智能设备运转的核心。从可穿戴设备的实时健康监测到自动驾驶汽车的环境感知,从工业机器人的精密控制到5G基站的高速数据处理,这些场景对内存的性能、功耗和成本提出了日益严苛的要求。传统存储技术逐渐显露出短板:静态随机存取存储器(SRAM)虽能提供高速访问,但高昂的成本和有限的容量使其难以满足大规模数据处理需求;动态随机存取存储器(DRAM)虽具备较高的存储密度,却需要复杂的刷新电路支持,功耗控制难题始终制约着其在嵌入式领域的深度应用。

在此情况下,伪静态随机存取存储器(PSRAM)凭借独特的技术架构脱颖而出,成为嵌入式内存领域的新选择。这种融合了SRAM接口便利性与DRAM存储密度优势的创新产品,正在重塑嵌入式存储的市场格局。

01

PSRAM是什么?

PSRAM(Pseudo Static Random Access Memory,伪静态随机存储器)是面向嵌入系统、消费电子、IoT物联网、可穿戴设备、端侧AI产品打造的新型存储方案。顾名思义,其是一种通过技术手段模拟SRAM操作特性的DRAM。

要理解PSRAM的优势,我们需要先了解传统存储器的特点。SRAM虽然速度快、接口简单,但因为需要六个晶体管来存储一个比特的数据,成本高昂且密度较低。DRAM虽然密度高、成本低,但需要复杂的控制器进行周期性刷新,增加了系统复杂度。PSRAM则巧妙地结合了两者的优点:采用类似DRAM的一个晶体管加一个电容的存储结构,同时保持了类似SRAM的简单接口。

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从结构上看,PSRAM内部采用与DRAM相同的1T+1C(单晶体管+单电容)存储单元,这种结构使其能够实现与DRAM相当的存储密度——相同制程下,PSRAM的容量可达SRAM的4-8倍。但与传统DRAM不同的是,PSRAM在芯片内部集成了自刷新控制器和相关逻辑电路,能够自动完成数据刷新操作,无需外部控制器干预,这就使其对外呈现出与SRAM完全兼容的接口特性。

这种架构设计带来了显著的系统级优势。对于嵌入式开发者而言,PSRAM可以像SRAM一样直接接入微控制器(MCU)或微处理器(MPU)的地址总线和数据总线,无需额外设计复杂的刷新控制逻辑,大大降低了硬件设计难度和软件开发复杂度。

在当前市场上,众多知名厂商都推出了支持PSRAM的MCU产品。英飞凌的TRAVEO系列、恩智浦的i.MX RT系列、瑞萨的R-CAR系列等都提供了PSRAM解决方案。

02

PSRAM带来了什么?

在嵌入式存储的技术版图中,PSRAM并非孤立存在,而是与SRAM、DRAM、NAND Flash等技术形成互补与竞争关系。深入分析PSRAM相对于这些技术的优劣势,有助于理解其市场定位和应用场景。

目前主流的PSRAM类型包括OPI PSRAM、QPI PSRAM和SPI PSRAM,其中以OPI PSRAM最为典型。这类存储器的设计理念围绕“以串行替代并行”展开,例如OPI PSRAM采用8位串行数据线,在133MHz时钟频率下通过DDR模式可达到2.128Gbps的理论带宽,其24脚封装相比传统DDR SDRAM的40+引脚,大幅简化了电路设计。爱普科技的APS12808L-OBM-BA等型号已实现商用,支持Xccela模式下的266MB/s吞吐量,特别适合物联网设备和穿戴设备中需要平衡带宽与体积的场景。

与OPI PSRAM形成梯度覆盖的还有QPI和SPI类型,前者通过4个双向数据引脚兼容SPI协议,在104MHz频率下提供416Mbps带宽;后者则沿用标准SPI接口,以8脚微型封装适配成本敏感型应用。这些变体的共同优势在于摆脱了传统DDR SDRAM对复杂控制器的依赖,例如无需动态刷新机制,直接采用类SRAM接口协议,显著降低了开发门槛。在功耗管理方面,新型PSRAM支持PASR(Partial Array Self Refresh)等智能刷新技术,既能保证数据完整性,又能将待机功耗降低至微安级,这对电池供电的智能语音设备或工业传感器来说至关重要。

从应用场景来看,这类存储器正在移动通信、实时控制系统和边缘计算领域快速替代DDR。智能手机中的语音协处理器常采用OPI PSRAM作为音频流缓冲区,其读取延迟比DRAM降低约30%;工业机械臂通过集成QPI PSRAM实现运动轨迹数据的即时存取,避免了传统方案中因DRAM刷新周期引发的响应延迟。值得注意的是,尽管PSRAM的绝对带宽尚未达到高端DDR4/DDR5的水平,但其在单位引脚效率上的突破(如OPI接口每引脚传输效率达266Mbps),正重新定义嵌入式存储的设计范式,尤其在PCB空间受限但需处理图像、语音等连续数据流的场景中,展现出独特的竞争力。这种技术演进本质上是通过接口协议革新和存储单元优化,在性能、功耗与成本之间寻找更贴合新兴市场需求的新平衡点。

然而,PSRAM也存在固有的技术局限性。作为一种易失性存储器,PSRAM在断电后会丢失所有数据,这使其无法单独承担数据持久化存储的任务,必须与NAND Flash等非易失性存储配合使用。在智能家居控制面板等场景中,通常采用"PSRAM+NOR Flash"的组合方案:PSRAM用于运行实时操作系统和临时数据缓存,NOR Flash用于存储固件和用户配置信息,这种组合虽然增加了系统复杂度,但平衡了性能与数据安全性。

容量限制是PSRAM面临的另一大挑战。目前市场上主流的PSRAM产品容量多在32-512Mb之间,最高端的英飞凌HYPERRAM™产品容量为512Mb,这与LPDDR5等DRAM产品16Gb的容量相比存在明显差距。这种容量瓶颈使其难以应用于需要大规模缓存的场景,如高端车载信息娱乐系统和边缘计算节点。

03

国产化突破:从技术跟跑到市场突围

中国半导体产业的自主可控战略为PSRAM的国产化提供了历史性机遇。

近日,紫光国芯在PSRAM领域的突破具有标志性意义。2025年7月,该公司发布了兼容Xccela协议的全系列PSRAM产品,容量覆盖32Mb、64Mb和128Mb,采用BGA24L超薄封装,同时也支持KGD产品形式。该系列产品可为物联网设备、穿戴电子产品和端侧AI产品打造存储解决方案。

紫光国芯PSRAM芯片尺寸紧凑,支持业界最高速度400MHz,传输速率提升至1066Mbps,可实现最高17.06Gb/s的高带宽性能,还支持在线动态可配置X8、X16模式,适配不同应用的需求。为满足对长续航的严苛需求,紫光国芯PSRAM支持包括Half Sleep在内的低功耗设计,已上市产品支持1.62-1.98V电压范围,包括1.8V低压供电,即将上市的256Mb(32MB)大容量版本还支持1.8/1.2V双压、动态变压0.9V等超低功耗模式。此外,它还支持从-40℃到105℃的工规级宽温域的高可靠性。

从产品规划来看,紫光国芯正以“应用驱动创新”的逻辑推进技术迭代:除已发布的128Mb以下规格,256Mb新品已进入流片阶段,计划Q4量产;在封装工艺上,后续将推出CSP(芯片级封装)方案,进一步适配TWS耳机等超微型设备。这一技术布局不仅填补了国内高性能低功耗PSRAM的空白,更有望在全球物联网存储市场打破日韩企业的长期主导格局。价格方面,32Mb版本16元,128Mb版本25元。

此外,在国产MCU阵营中,合封PSRAM的产品如下:

  • 兆易创新GD32E5系列MCU:片上集成了4MB PSRAM。
  • 启明智显Model3芯片:Model3芯片是一款高性能的显示交互和智能控制MCU,内置片上1MB大容量SRAM以及64Mb PSRAM。
  • 思澈科技ButterFliSF32LB557:SF32LB55x是一系列用于超低功耗人工智能物联网(AIoT)场景下的高集成度、高性能的系统级(SoC)MCU芯片,集成了4MB PSRAM。
  • AGM(遨格芯)AG32系列:AG32系列MCU新品合封了64Mb PSRAM,适用于片内RAM需求较大的客户。

展望未来,随着物联网和人工智能应用的进一步普及,对MCU存储容量的需求还将持续增长。PSRAM作为一种平衡了成本、性能和易用性的存储方案,必将获得更广泛的应用。通过将PSRAM直接合封在MCU中,为用户提供了更加便捷的解决方案,代表了未来MCU发展的一个重要方向。

对于中国的半导体产业来说,PSRAM技术的发展既是机遇也是挑战。一方面,我们看到越来越多的国产MCU厂商开始在产品中集成PSRAM,显示出强劲的技术追赶势头;另一方面,在高端PSRAM技术方面,与国际领先企业相比仍有差距。但随着创新产品不断涌现,相信国产MCU在PSRAM应用方面会逐步缩小与国际水平的差距。

总的来说,PSRAM为MCU带来了更大的存储空间、更优的成本效益比、更低的功耗以及更简单的系统设计。这些优势使得PSRAM成为现代MCU设计中不可或缺的一环。随着技术的不断进步和应用需求的持续增长,我们有理由相信,PSRAM将在未来的MCU设计中发挥更加重要的作用。

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