片上SRAM特性分析(1)：area density

在数字IC设计中，对SRAM的选取是非常重要的部分。电路设计的优劣通常用PPA来衡量，对于SRAM也一样。designer往往希望在满足特定性能的情况下，尽量降低memory的面积和功耗。

面积的选择相对简单，有一定经验的designer可能都听过如下这些经验之谈：

1. 能用单口RAM尽量不用双口RAM；

2. 尽量用少量的大size SRAM代替大量的小size SRAM；

3. 尽量用SRAM替代DFF阵列；

4. 对于大size的双口SRAM，其效益要超过双倍的单口SRAM(同size的双口/单口SRAM面积比小于2)；

5. 大size通常生成SRAM，小size通常生成register file。

这些经验是否有效，需要得到验证，后文内容将有所介绍。

SRAM根据功能可分为单口SRAM(SPSRAM)和双口SRAM(DPSRAM)；根据电路结构可以分为RAM和register file；根据PPA，可以分为高性能(high speed/high performance)，高密度(high density)或极高密度(ultra high density)。

SRAM用memory compiler生成，比如ARM的Artisan，synopsys的embedit，以及foundry自带的memory compiler。上图中是基于某工艺的S和T的memory compiler的area density，横轴是SRAM的size(bit number)，area density=SRAM的面积/size。空置的单元格是因为没有数据，空置的数据考虑用存在的数据进行线性拟合。

由于size范围比较广，因此将数据分为三段。

对于单口RAM

area density曲线在size较小的时候存在较大的波动，因为SRAM的面积受到形状影响，长宽比接近1:1的同size SRAM面积更小。但是，我们生成SRAM的时候，优先考虑深度和宽度以满足功能需要，一些特定形状的SRAM通常为了满足宽度需要而将column mux加大。

通过上面的表格，我们可以发现T的register file明显要劣于T的RAM和S的register file与RAM。随着size的增加，area density接近0.2~0.25之间。S的register file和T的RAM面积效率接近，略优于S的RAM。

对于双口RAM

S的register file在全范围内都是DPSRAM中效率最高的，伴随着size增加，S的RAM效率逐渐接近S的register file，并且明显优于T的RAM和register file。

考虑到S的DPSRAM较优，T的SPSRAM较优，因此单口RAM和双口RAM的比较就用这两种类型的RAM。

随着size增加，S的双口RAM与T的单口RAM效率几乎接近；在size较小时，S的双口RAM密度也不总是T的单口RAM的两倍，红色圆圈中是单口RAM的密度大于双口RAM密度的情况。

从上面的数据中，可以得出如下结论：

1. 单口RAM密度要低于双口RAM，但这个规律并非恒定的，并且受RAM本身的形状和column MUX影响较多；

2. RAM结构并不总是由于register file结构的SRAM，即使是在大size的情况下(不考虑timing)；

3. 对于小size的SRAM，形状和column mux的影响更为突出，对于大size的SRAM，density曲线近乎平直，几乎不受形状影响(也可以认为大size的SRAM其长宽比很少出现极端的情况)。