低功耗6管SRAM單元設(shè)計(jì)方案

　　 引言

　　在傳統(tǒng)6T-SRAM結(jié)構(gòu)里，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)通過存取管直接連接到位線上。這樣在讀過程中，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)需要考慮的問題。在現(xiàn)代高性能微處理器，超過40%的功耗是由于泄漏電流引起的。隨著越來越多的晶體管集成到微處理器上，漏電功耗的問題將會(huì)更加突出。此外，漏電是待機(jī)模式下惟一的能耗來源，SRAM單元是漏電流的一個(gè)重要來源。

　　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/寫分開機(jī)制，將存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和讀輸出分開，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^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/寫速度也和普通6管SRAM相差無幾。

　　1 6T-SRAM存儲(chǔ)單元簡介

　　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，用來鎖存1位數(shù)字信號(hào)。M5，M6是傳輸管，它們在對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫操作時(shí)完成將存儲(chǔ)單元與外圍電路進(jìn)行連接或斷開的作用。對(duì)單元的存取通過字線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BL和

讀取信息。寫操作時(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)單元簡介

　　針對(duì)以上問題，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完成寫操作，讀/寫操作的時(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，即讀操作和寫操作都不工作的情況下，當(dāng)O存在Q點(diǎn)時(shí)，M3打開，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，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)寫循環(huán)

　　寫1操作開始，WL高電平打開M1管，讀控制管RL關(guān)閉，

充電使得

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

放電到

=0，打開字線WL，Q=0，同時(shí)打開M3管，Qbar=1。在結(jié)束寫操作后，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開啟，Q=0，Qbar=1，管子M5開啟，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。