低功耗6管SRAM單元設(shè)計(jì)方案 - 全文

　　 引言

　　在傳統(tǒng)6T-SRAM結(jié)構(gòu)里，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)通過(guò)存取管直接連接到位線上。這樣在讀過(guò)程中，由于存取管和下拉管之間的分壓作用會(huì)使存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)受到干擾，另外由于這種直接讀/寫(xiě)機(jī)制會(huì)使存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)很容易受到外部噪聲的影響從而可能導(dǎo)致邏輯錯(cuò)誤。

　　除了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性問(wèn)題之外，不斷增大的芯片漏電流也是另一個(gè)需要考慮的問(wèn)題。在現(xiàn)代高性能微處理器，超過(guò)40%的功耗是由于泄漏電流引起的。隨著越來(lái)越多的晶體管集成到微處理器上，漏電功耗的問(wèn)題將會(huì)更加突出。此外，漏電是待機(jī)模式下惟一的能耗來(lái)源，SRAM單元是漏電流的一個(gè)重要來(lái)源。

　　本文在分析傳統(tǒng)6T-SRAM基礎(chǔ)上，并基于以上考慮，提出了一種高可靠性低功耗的新6管SRAM單元。由于讀電流與噪聲容限的沖突，這個(gè)結(jié)構(gòu)采用讀/寫(xiě)分開(kāi)機(jī)制，將存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和讀輸出分開(kāi)，從而不會(huì)使位線的波動(dòng)干擾到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的值;另外，每次讀或?qū)戇^(guò)程中，只需要一個(gè)位線參與工作，因此相比較而言，降低了功耗，仿真結(jié)果顯示這種結(jié)構(gòu)讀/寫(xiě)速度也和普通6管SRAM相差無(wú)幾。

　　1 6T-SRAM存儲(chǔ)單元簡(jiǎn)介

　　6管存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。

?

　　1.1 6管單元結(jié)構(gòu)及工作原理

　　6T-SRAM單元結(jié)構(gòu)晶體管級(jí)電路如圖1所示，它由6個(gè)管子組成，整個(gè)單元具有對(duì)稱性。其中M1～M4構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)電路，用來(lái)鎖存1位數(shù)字信號(hào)。M5，M6是傳輸管，它們?cè)趯?duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫(xiě)操作時(shí)完成將存儲(chǔ)單元與外圍電路進(jìn)行連接或斷開(kāi)的作用。對(duì)單元的存取通過(guò)字線WL(Word Line)使能，字線WL為高電平時(shí)傳輸管導(dǎo)通，使存儲(chǔ)單元的內(nèi)容傳遞到位線BL(Bit Line)，單元信息的反信號(hào)傳遞到位線

，外圍電路通過(guò)BL和

讀取信息。寫(xiě)操作時(shí)，SRAM單元陣列的外圍電路將電壓傳遞到BL和

上作為輸入，字線WL使能后，信息寫(xiě)入存儲(chǔ)單元。

?

　　1.2 靜態(tài)噪聲容限SNM

　　靜態(tài)噪聲容限SNM是衡量存儲(chǔ)單元抗干擾能力的一個(gè)重要參數(shù)，其定義為存儲(chǔ)單元所能承受的最大直流噪聲的幅值，若超過(guò)這個(gè)值，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)將發(fā)生錯(cuò)誤翻轉(zhuǎn)。隨著數(shù)字電路不斷發(fā)展，電源電壓VDD逐漸變小，外部噪聲變得相對(duì)較大。如圖1所示的6T-SRAM，在讀操作中有一個(gè)從存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)到位線BL的路徑，當(dāng)存取管開(kāi)啟，BL和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)直接相連。因此，外部的噪聲很容易破壞數(shù)據(jù)，噪聲容限受到前所未有的挑戰(zhàn)。

　　2 新型6T-SRAM存儲(chǔ)單元簡(jiǎn)介

　　針對(duì)以上問(wèn)題，提出一個(gè)新型6T-SRAM存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，如圖2所示。NMOS管M5和M6負(fù)責(zé)讀操作，NMOS管M1，M4，PMOS管M2，M3完成寫(xiě)操作，讀/寫(xiě)操作的時(shí)候只有1個(gè)位線參與工作，因此整個(gè)單元功耗減小很多。

?

　　(1)空閑模式

　　在空閑模式下，即讀操作和寫(xiě)操作都不工作的情況下，當(dāng)O存在Q點(diǎn)時(shí)，M3打開(kāi)，Qbar保持在VDD，同時(shí)M2，M4是關(guān)閉的，此時(shí)Q點(diǎn)的數(shù)據(jù)0可能受到漏電流IDS-M2漏電堆積，從而在Q點(diǎn)產(chǎn)生一定電壓，甚至可能導(dǎo)致Q點(diǎn)數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生錯(cuò)誤邏輯。因此要利用M1管的漏電流，主要是M1的亞閾值電流，為了這個(gè)目的，需要在空閑模式下將位線

拉到地，同時(shí)將字線WL保持在亞閾值工作的條件下，這樣就可以無(wú)需刷新正確存儲(chǔ)數(shù)據(jù)0。當(dāng)1存在Q點(diǎn)時(shí)，M4，M2打開(kāi)，在Q和Qbar之間有正反饋，因此Q點(diǎn)被M2管拉到VDD，Qbar被M4管拉到地，但是此時(shí)M1管是處在亞閾值條件下，因此有一條路徑從VDD到

，這會(huì)導(dǎo)致Q點(diǎn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，甚至有可能翻轉(zhuǎn)，由于流經(jīng)M2的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流經(jīng)M1的電流，數(shù)據(jù)相對(duì)還是比較穩(wěn)定的。另一條位線BL拉到地，在空閑模式下讀路徑這端漏電流很小，可以忽略。

?

　　(2)寫(xiě)循環(huán)

　　寫(xiě)1操作開(kāi)始，WL高電平打開(kāi)M1管，讀控制管RL關(guān)閉，

充電使得

=1，BL=0，Q點(diǎn)開(kāi)始充電到1(此時(shí)由于NMOS管傳遞的是弱1)，從而打開(kāi)M4管，使Qbar=0，同時(shí)正反饋打開(kāi)M2管，將Q點(diǎn)保持在強(qiáng)1;相反，寫(xiě)0操作的時(shí)候，位線

放電到

=0，打開(kāi)字線WL，Q=0，同時(shí)打開(kāi)M3管，Qbar=1。在結(jié)束寫(xiě)操作后，單元進(jìn)入空閑模式。

?

　　(3)讀循環(huán)

　　讀操作主要由M5，M6管負(fù)責(zé)，Qbar連接到M5管的柵極，BL充電到高電平。讀1的時(shí)候，Q=1，Qbar=0，M5關(guān)閉的，因而靈敏放大器從BL讀出的是1;當(dāng)讀0操作的時(shí)候，WL字線關(guān)閉的，RL開(kāi)啟，Q=0，Qbar=1，管子M5開(kāi)啟，M5管和M6管共同下拉BL，讀出數(shù)據(jù)0。在結(jié)束讀操作后，單元進(jìn)入空閑模式。

　　2.1 噪聲容限

　　噪聲容限是在沒(méi)有引起單元翻轉(zhuǎn)前提下引入存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的最大噪聲電壓值。在讀操作的時(shí)候，噪聲容限對(duì)于單元的穩(wěn)定性更加重要，因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的SRAM中讀噪聲容限和讀的電流是沖突的，提高讀電流速度的同時(shí)會(huì)降低讀噪聲容限為代價(jià)，所以在傳統(tǒng)SRAM結(jié)構(gòu)中，讀電流和讀噪聲容限不可以分開(kāi)獨(dú)立調(diào)節(jié)，兩者是相互影響制約的。而新結(jié)構(gòu)采用獨(dú)立的讀電流路徑，不包括存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，因而在讀操作的時(shí)候，位線上的電壓波動(dòng)和外部噪聲幾乎不會(huì)對(duì)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)造成影響，從而大大的增加了讀噪聲容限。

　　2.2 漏電流

　　從以上分析可知，當(dāng)數(shù)據(jù)存0的時(shí)候，新型6T-SRAM是通過(guò)M1管的亞閾值電流來(lái)保持?jǐn)?shù)據(jù)的;當(dāng)數(shù)據(jù)存1的時(shí)候，由于M2，M4的正反饋?zhàn)饔?，并且在空閑狀態(tài)下M1處于亞閾值導(dǎo)通狀態(tài)，所以存在從電源電壓到地的通路，這些都會(huì)導(dǎo)致漏電流的增加圖3顯示了這條路徑。在大部分?jǐn)?shù)據(jù)和指令緩存器中，所存的值為0居多，分別占到75%和64%?；谶@些考慮，在標(biāo)準(zhǔn)0.18μm CMOS工藝下，對(duì)普通6T-SRAM和新型6T-SRAM進(jìn)行了平均漏電流仿真。傳統(tǒng)6T-SRAM漏電流為164 nA，新型6T-SRAM漏電流為179 nA，新型SRAM比傳統(tǒng)的大9%，這是可以接受的范圍因?yàn)樾滦蚐RAM采用漏電流保持技術(shù)，從而不需要數(shù)據(jù)的刷新來(lái)維持?jǐn)?shù)據(jù)，另外漏電泄露不會(huì)在Q點(diǎn)產(chǎn)生過(guò)高的浮空電壓，因而數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定。

?

　　2.3 功耗

　　一般而言，位線是產(chǎn)生動(dòng)態(tài)功耗的主要部分，所以說(shuō)往往在讀/寫(xiě)操作轉(zhuǎn)換過(guò)程中位線的變化會(huì)消耗主要的功耗，本文對(duì)傳統(tǒng)6T-SRAM和新型6T-SRAM單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行了功耗仿真，如表1所示。

?

　　表1中可以看出，在傳統(tǒng)的6T-sRAM讀/寫(xiě)過(guò)程中，對(duì)稱結(jié)構(gòu)的兩個(gè)位線電壓的變化是一致的，因而功耗是相同的。新型6T-SRAM單元功耗比傳統(tǒng)單元低了很多，這是因?yàn)樵谧x/寫(xiě)操作的時(shí)候，參與工作的管子數(shù)量少，并且只有一個(gè)位線參與工作，并且在寫(xiě)0的時(shí)候，由于位線是0，所以功耗很低。

　　2.4 讀/寫(xiě)仿真

　　為了進(jìn)一步驗(yàn)證新型6T-SRAM讀/寫(xiě)功能的正確性，以及與傳統(tǒng)6T-SRAM單元的比較，采用HSpice對(duì)兩種管子進(jìn)行了讀/寫(xiě)仿真。如圖4-圖7所示。

?

?

　　新型6T-SRAM存儲(chǔ)單元的讀/寫(xiě)仿真表明，單個(gè)存儲(chǔ)單元的讀/寫(xiě)時(shí)間在0.2 ns內(nèi)，符合存儲(chǔ)器在高速狀態(tài)下運(yùn)行的需要。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　該SRAM單元是在0.18μm工藝下仿真的，新型SRAM采用漏電流保持技術(shù)，從而不需要刷新來(lái)維持?jǐn)?shù)據(jù)，并且仿真顯示功耗比較傳統(tǒng)SRAM低了很多，讀/寫(xiě)速度方面比傳統(tǒng)SRAM慢了一點(diǎn)，但是這是在可以接受的范圍內(nèi)。