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基于数据保持电压的低功耗SRAM设计

作　者: 吴晨
导　师: 毛凌锋；张立军
学　校: 苏州大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 静态随机存储器漏电流数据保持电压反馈系统
分类号: TP333
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

静态随机存储器(SRAM)因其快速存取,高可靠性及其与逻辑电路的兼容性在目前的系统级芯片(SOC)中占据了非常重要的位置。随着工艺的不断进步,SRAM的面积及功耗在SOC设备中所占的比例变得越来越大。因此,高速低功耗SRAM设计已经引起了广泛的关注。当工艺尺寸降低至90nm以后,漏电流急剧增大,静态功耗成为总功耗中相当大的一部分。本文分析比较了目前业界常用的几种降低SRAM漏电流的方法,并在此基础上提出了基于数据保持电压(DRV)的低功耗SRAM设计。DRV是指空闲状态下存储器中保持数据的最小电压,将电源电压降低至DRV不仅可以有效地降低漏电流还可以保证数据的稳定性。为了避免由防护电压引起的功耗损失,本文提出了一种用于监测SRAM存储阵列中DRV的反馈系统,尽可能地逼近SRAM的实际失效电压,最大程度地降低静态功耗。它采用与SRAM存储单元相同的模拟单元,通过模拟其数据翻转特性得到对应的电源电压。根据DRV与衬底偏压及源极电压之间的关系,我们增加了控制选项以调节DRV分布,从而可以在漏电流功耗与系统的可靠性之间进行折中选择。将该反馈系统应用于一个容量为512Kb的SRAM,该SRAM通过X、Y、Z译码电路将存储阵列进行分块布局,并结合层次化字线与位线技术降低其动态功耗。电压选择电路在bank级层次上实现,它可以将多数未选中的存储单元转入低功耗模式以降低漏电流。在UMC 55nm CMOS工艺基础上进行的仿真验证数据表明,相对于传统结构,该技术可以降低65.5%的漏电流,同时对数据的稳定性与器件的性能没有太大影响。

全文目录

中文摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-15
  1.1 研究背景及意义  9-10
  1.2 SRAM 概述  10-13
    1.2.1 SRAM 结构  10-11
    1.2.2 SRAM 存储单元操作  11-13
    1.2.3 SRAM 功耗  13
  1.3 论文主要工作  13-14
  1.4 论文章节安排  14-15
第二章低功耗SRAM 设计方案  15-25
  2.1 漏电流分布  15-17
    2.1.1 亚阈值漏电流  15-16
    2.1.2 栅漏电流  16-17
    2.1.3 结漏电流  17
  2.2 低功耗SRAM 设计方案  17-22
    2.2.1 衬底偏压结构  18-19
    2.2.2 源极偏压结构  19-20
    2.2.3 双电源电压结构  20-21
    2.2.4 字线电压反偏结构  21
    2.2.5 位线电压浮动结构  21-22
  2.3 仿真数据对比分析  22-23
  2.4 小结  23-25
第三章基于DRV 的低功耗SRAM 设计  25-48
  3.1 保持数据失效机制  25-26
  3.2 数据保持电压(DRV)  26-29
    3.2.1 衬底电压对DRV 的影响  27-28
    3.2.2 源极电压对DRV 的影响  28
    3.2.3 DRV 分布  28-29
  3.3 用于监测DRV 的反馈系统  29-41
    3.3.1 整体结构  29-30
    3.3.2 模拟存储单元与多数表决器  30-31
    3.3.3 端点电压控制选项  31-33
    3.3.4 电压转换电路  33-38
    3.3.5 上电启动电路  38-40
    3.3.6 电路原理总结  40-41
  3.4 DRV 反馈系统的应用  41-46
    3.4.1 SRAM 结构划分  42-43
    3.4.2 电压选择电路  43-45
    3.4.3 外围电路  45-46
  3.5 小结  46-48
第四章系统仿真及结果分析  48-55
  4.1 仿真流程及工具环境  48
  4.2 仿真结果分析  48-52
    4.2.1 漏电流  50-51
    4.2.2 动态功耗  51
    4.2.3 读写性能  51-52
  4.3 版图设计  52-54
  4.4 小结  54-55
第五章总结与展望  55-57
  5.1 总结  55
  5.2 展望  55-57
参考文献  57-62
攻读学位期间发表的学术论文  62-63
致谢  63-64

基于数据保持电压的低功耗SRAM设计

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