新型高可靠性低功耗6管SRAM單元設(shè)計(jì)

摘要：提出一種新型的6管SRAM單元結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用讀／寫分開技術(shù)，從而很大程度上解決了噪聲容限的問(wèn)題，并且該結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)保持狀態(tài)下，采用漏電流以及正反饋保持?jǐn)?shù)據(jù)，從而不需要數(shù)據(jù)的刷新來(lái)維持?jǐn)?shù)據(jù)。仿真顯示了正確的讀／寫功能，并且讀／寫速度和普通6管基本相同，但是比普通6管SRAM單元的讀／寫功耗下降了39％。
關(guān)鍵詞：靜態(tài)噪聲容限；漏電流；低功耗；可靠性

0 引言
近40年的CMOS器件不斷縮小，以求達(dá)到更高的速度，更高性能和更低功耗。靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)憑著其高速和易用性的優(yōu)勢(shì)，已被廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)。據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖(ITRS)的預(yù)測(cè)，到2013年內(nèi)存將占到SoC面積的90％，這將導(dǎo)致了芯片的性能越來(lái)越取決于SRAM的性能。但是，隨著CMOS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，由此需要降低電源電壓和閾值電壓，而這一系列舉措勢(shì)必會(huì)降低SRAM單元的穩(wěn)定性。另外，在深亞微米情況下，工藝環(huán)境以及隨之帶來(lái)的參數(shù)變化也會(huì)大大影響SRAM單元的穩(wěn)定性。
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^(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(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(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。