如何降低嵌入式存储功耗？双电压SPI NOR Flash优势与选型指南

当智能手表的续航因为存储芯片功耗过高而大幅缩水，当物联网设备因为频繁读写数据而需要频繁更换电池时，嵌入式系统设计师们正在寻找真正**的存储解决方案。兆易创新推出的GD25NE系列双电压SPI NOR Flash通过创新的1.8V核心+1.2V I/O双电压架构，成功将读取功耗降低了50%，同时提升了20%的读取性能和60%的写入速度，为低功耗嵌入式应用提供了理想的存储选择。

一、双电压架构的技术原理与创新

GD25NE系列的核心创新在于其独特的双电压供电设计。与传统单电压Flash解决方案不同，该系列采用1.8V作为核心供电电压，同时I/O接口电压降低至1.2V，这种设计完美匹配了新一代1.2V SoC的接口需求。

电压匹配优势直接解决了信号兼容性问题。由于现代先进制程SoC（7nm及以下）普遍采用1.2V或更低的I/O控制逻辑，传统1.8V或3.3V Flash需要额外的电平转换电路，而GD25NE无需外部升压电路即可实现无缝兼容。

功耗降低机制基于物理原理。根据功率计算公式P=U×I，在接口功耗方面，降低I/O电压直接减少了动态功耗。1.2V I/O设计相比传统1.8V解决方案，可将功耗降低50%，这对于电池供电设备至关重要。

性能保持技术同样值得关注。虽然降低了I/O电压，但通过架构优化，GD25NE系列在STR模式下支持133MHz时钟频率，DTR模式下支持104MHz，确保了高性能表现。

系统简化价值不容忽视。双电压设计消除了对外部电平转换元件的需求，不仅降低了BOM成本，还减少了PCB面积和系统复杂度，特别适合空间受限的便携设备。

二、GD25NE系列的关键性能参数

GD25NE系列在多个性能指标上表现出色，为嵌入式存储设立了新的标杆。以下是其核心性能参数：

速度性能令人印象深刻：写入时间典型值为0.15ms，扇区擦除时间仅为30ms。与常规1.2V单电压Flash解决方案相比，数据读取性能提升20%，写入速度提升60%，擦除时间缩短30%。

功耗表现突破极限：深度睡眠功耗电流低至0.2uA，几乎可以忽略不计。在双沿四通道104MHz频率下的读取电流低至9mA，擦写电流低至8mA。

容量选择灵活多样：提供从32Mb到256Mb的多种容量选择，满足不同应用的需求。目前256Mb的GD25NE256H已开始提供样片，其余容量产品将陆续推出。

封装选项适应各种设计：支持SOP16（300 mil）和BGA24（5×5 ball array）封装选项，为不同空间约束和制造工艺提供选择。

可靠性指标符合工业要求：作为兆易创新的产品，其质量和可靠性得到业界认可，公司已通过ISO26262:2018汽车功能安全*高等级ASIL D体系认证。

性能参数	GD25NE系列	传统1.2V方案	提升幅度
读取性能	提升20%	基准	20%
写入速度	提升60%	基准	60%
擦除时间	缩短30%	基准	30%
读取功耗	降低50%	基准	50%降低
深度睡眠电流	0.2uA	通常1-2uA	降低80-90%

三、与传统方案的对比优势

与各种传统存储解决方案相比，GD25NE系列展现出多方面的明显优势，这些优势源于其创新的双电压架构。

对比单电压1.2V方案：虽然都面向低压SoC，但GD25NE通过保持1.8V核心电压，避免了性能妥协。传统单电压1.2V方案往往为了兼容性而牺牲性能，而GD25NE实现了兼容性与性能的双赢。

对比传统1.8V方案：*大的优势在于功耗和兼容性。传统1.8V方案需要电平转换才能与1.2V SoC通信，增加了系统复杂度和功耗。GD25NE直接兼容1.2V SoC，无需额外元件。

对比更高压方案：在功耗方面的优势更加明显。3.3V等更高电压的方案不仅功耗大，而且完全无法直接与先进制程SoC兼容，必须使用额外的接口电路。

综合成本优势：虽然芯片本身成本可能相近，但GD25NE通过消除外部元件、简化PCB设计和减少系统功耗，提供了更低的整体系统成本。

设计简化价值：工程师不再需要设计复杂的电平转换电路，减少了设计时间和风险，加速了产品上市进程。

四、适用场景与应用领域

GD25NE系列的低功耗高性能特性使其在多个快速增长的应用领域具有独特价值。

智能可穿戴设备是理想应用场景。智能手表、手环等设备对功耗极其敏感，GD25NE的超低睡眠功耗和**读写性能能够显著延长电池续航时间。

物联网终端设备受益明显。各种IoT传感器和边缘节点通常由电池供电，需要常年工作。GD25NE的低功耗特性能够减少维护需求，降低总体运营成本。

医疗健康设备要求高可靠性。便携医疗设备如血糖仪、心率监测器等既需要低功耗，又需要可靠存储。GD25NE的性能和可靠性平衡满足了这一需求。

数据中心及边缘人工智能应用正在增长。虽然这些应用对性能要求更高，但能效同样重要。GD25NE的高性能低功耗特性使其适合这些应用。

汽车电子潜力巨大。随着汽车电子化程度提高，对低功耗高可靠性存储的需求增长。兆易创新已通过汽车功能安全认证，为进入该市场奠定了基础。

五、选型与设计指南

为充分发挥GD25NE系列的性能优势，在设计过程中需要考虑几个关键因素。

容量选择策略：根据应用需求选择合适的容量。32Mb适合简单固件存储，128Mb和256Mb适合复杂应用和数据存储。建议预留20-30%的余量应对未来需求变化。

封装选择考虑：SOP16封装适合手工焊接和小批量生产，BGA24封装适合空间受限的大批量应用。考虑生产工艺和能力选择合适的封装。

电源设计要点：虽然GD25NE简化了接口设计，但仍需要提供1.8V和1.2V电源。建议使用**DC-DC转换器，特别在电池供电应用中。

PCB布局建议：保持Flash芯片与SoC的距离尽可能近，减少信号完整性问题。即使接口电压降低，良好的布局实践仍然重要。

散热考虑：虽然GD25NE功耗较低，但在持续高速读写时仍会产生热量。在高密度封装中需要考虑散热问题。

软件优化机会：利用GD25NE的高速特性优化软件架构。例如，使用双沿四通道模式*大化数据传输速率，合理安排擦写操作以减少峰值功耗。

六、设计实践与优化建议

在实际设计中，以下几个实践建议可以帮助*大化GD25NE的价值：

功耗优化配置：充分利用深度睡眠模式。在系统空闲时让Flash进入深度睡眠状态，将功耗降至0.2uA。合理设置唤醒策略，平衡响应速度和功耗。

性能调优技巧：根据数据特性选择**传输模式。对于大量数据传输，使用四通道DTR模式*大化吞吐量；对于小量数据，使用单通道模式可能更节能。

耐久性管理：虽然NOR Flash具有较长的寿命，但仍建议实现磨损均衡算法。特别是在频繁更新的数据存储场景中，通过分散写操作延长器件寿命。

错误处理机制：实现错误检测和纠正机制。尽管GD25NE具有高可靠性，但在关键应用中仍建议增加CRC校验或ECC机制，确保数据完整性。

量产测试考虑：在大规模生产中，建立**测试流程验证Flash功能。利用GD25NE的标准接口和已知良好特性简化测试程序。

个人观点

在我看来，GD25NE系列代表的不仅是技术进步，更是设计理念的转变——从单纯追求性能到平衡性能、功耗和集成度。这种转变正好契合了物联网和移动设备发展的核心需求。

然而，双电压架构也带来了新的设计考虑。工程师需要同时管理两个电压域，虽然减少了外部元件，但可能需要更精细的电源管理策略。这要求设计师重新思考电源架构，而不是简单替换现有设计。

从产业发展角度看，GD25NE反映了半导体行业的重要趋势：通过制程进步和架构创新同时提升性能和能效。随着先进制程SoC的普及，这类专用配套芯片的需求将会增长。

对开发者而言，关键是要充分利用芯片特性而不是将其当作普通Flash使用。例如，利用深度睡眠模式实现**功耗，利用高速模式提升用户体验，这些都需要系统级的优化和思考。

**数据视角

根据兆易创新提供的数据，GD25NE系列在典型使用场景下可以将系统级功耗降低30-50%，这主要得益于消除电平转换损耗和优化的接口功耗。

值得注意的是，GD25NE的50%功耗降低是在接口层面，对于整体系统功耗的影响取决于Flash访问的频繁程度。在频繁访问数据的应用中，节能效果更加明显。

从成本角度分析，虽然GD25NE的单价可能略高于传统方案，但考虑到节省的外部元件成本和PCB面积，整体系统成本可能降低10-20%。