新型高可靠性低功耗6管SRAM單元設計

摘要：提出一種新型的6管SRAM單元結構，該結構采用讀／寫(xiě)分開(kāi)技術(shù)，從而很大程度上解決了噪聲容限的問(wèn)題，并且該結構在數據保持狀態(tài)下，采用漏電流以及正反饋保持數據，從而不需要數據的刷新來(lái)維持數據。仿真顯示了正確的讀／寫(xiě)功能，并且讀／寫(xiě)速度和普通6管基本相同，但是比普通6管SRAM單元的讀／寫(xiě)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，以求達到更高的速度，更高性能和更低功耗。靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)憑著(zhù)其高速和易用性的優(yōu)勢，已被廣泛應用于系統級芯片(SoC)。據國際半導體技術(shù)藍圖(ITRS)的預測，到2013年內存將占到SoC面積的90％，這將導致了芯片的性能越來(lái)越取決于SRAM的性能。但是，隨著(zhù)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，而這一系列舉措勢必會(huì )降低SRAM單元的穩定性。另外，在深亞微米情況下，工藝環(huán)境以及隨之帶來(lái)的參數變化也會(huì )大大影響SRAM單元的穩定性。
在傳統6T-SRAM結構里，數據存儲節點(diǎn)通過(guò)存取管直接連接到位線(xiàn)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 )使存儲節點(diǎn)數據受到干擾，另外由于這種直接讀／寫(xiě)機制會(huì )使存儲節點(diǎn)很容易受到外部噪聲的影響從而可能導致邏輯錯誤。
除了數據的穩定性問(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(zhù)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6T-SRAM基礎上，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)結構采用讀／寫(xiě)分開(kāi)機制，將存儲節點(diǎn)和讀輸出分開(kāi)，從而不會(huì )使位線(xiàn)的波動(dòng)干擾到存儲節點(diǎn)的值；另外，每次讀或寫(xiě)過(guò)程中，只需要一個(gè)位線(xiàn)參與工作，因此相比較而言，降低了功耗，仿真結果顯示這種結構讀／寫(xiě)速度也和普通6管SRAM相差無(wú)幾。

1 6T-SRAM存儲單元簡(jiǎn)介
6管存儲單元結構如圖1所示。

1．1 6管單元結構及工作原理
6T-SRAM單元結構晶體管級電路如圖1所示，它由6個(gè)管子組成，整個(gè)單元具有對稱(chēng)性。其中M1～M4構成雙穩態(tài)電路，用來(lái)鎖存1位數字信號。M5，M6是傳輸管，它們在對存儲器進(jìn)行讀／寫(xiě)操作時(shí)完成將存儲單元與外圍電路進(jìn)行連接或斷開(kāi)的作用。對單元的存取通過(guò)字線(xiàn)WL(Word Line)使能，字線(xiàn)WL為高電平時(shí)傳輸管導通，使存儲單元的內容傳遞到位線(xiàn)BL(Bit Line)，單元信息的反信號傳遞到位線(xiàn)，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(xiàn)WL使能后，信息寫(xiě)入存儲單元。
1．2 靜態(tài)噪聲容限SNM
靜態(tài)噪聲容限SNM是衡量存儲單元抗干擾能力的一個(gè)重要參數，其定義為存儲單元所能承受的最大直流噪聲的幅值，若超過(guò)這個(gè)值，存儲節點(diǎn)的狀態(tài)將發(fā)生錯誤翻轉。隨著(zhù)數字電路不斷發(fā)展，電源電壓VDD逐漸變小，外部噪聲變得相對較大。如圖1所示的6T-SRAM，在讀操作中有一個(gè)從存儲節點(diǎn)到位線(xiàn)BL的路徑，當存取管開(kāi)啟，BL和存儲節點(diǎn)直接相連。因此，外部的噪聲很容易破壞數據，噪聲容限受到前所未有的挑戰。

2 新型6T-SRAM存儲單元簡(jiǎn)介
針對以上問(wèn)題，提出一個(gè)新型6T-SRAM存儲單元結構，如圖2所示。NMOS管M5和M6負責讀操作，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(xiàn)參與工作，因此整個(gè)單元功耗減小很多。