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近阈值低功耗SRAM研究设计

作　者: 杨堃
导　师: 刘佩林
学　校: 上海交通大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 静态存储器低功耗近阈值
分类号: TP333
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

在半导体行业领域,存储器的研究设计一直是一个热点,而在存储器的家族中,静态随机访问存储器(SRAM)又占据了极为重要的地位。结合低功耗、高性能这一IC工业的焦点,本文应用新兴的低功耗技术-近阈值计算理论,在近阈值电压下采用全定制的方式对SRAM电路进行研究和设计。本文首先阐述了SRAM的整体架构,包括SRAM存储单元和相应的外围电路结构,并以传统的6管SRAM存储单元为例,介绍了SRAM单元的工作原理;其后,着重分析了传统SRAM结构在近阈值电压下的不足,包括在低供电电压下电路的延迟变大而导致存储单元的输出波动以及功能失效等问题。在此基础上,分离读写字线和位线来减小电路失效的风险,应用了适合于近阈值电源电压的7管SRAM存储单元电路结构,分析了7管SRAM结构的工作原理。并基于7管架构在近阈值电源电压下设计了相应的电路单元参数,包括晶体管的阈值电压和单元尺寸,以保证电路工作的稳定性以及提高性能。通过HSPICE仿真,验证了SRAM存储单元在近阈值电压下能够保证功能的正确性,并且得出了存储单元的读写平均功耗仅有72.55μW,最大写数据延迟为40ns,最大读数据延迟为35ns,满足低功耗和高性能的要求。最后,对近阈值下SRAM的外围电路也进行了分析和设计,提出了与近阈值下SRAM存储单元能够联合工作的外围结构,包括地址译码电路以及灵敏放大电路,在近阈值电压下进行了HSPICE仿真,证明了所设计的结构以及参数是满足设计要求的。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-11
第一章绪论  11-22
  1.1 课题研究背景  11-14
    1.1.1 半导体存储器发展历史与分类  11-13
    1.1.2 低功耗SRAM 的研究意义  13-14
  1.2 低功耗技术综述  14-16
    1.2.1 近阈值/亚阈值计算理论  15
    1.2.2 能量回收技术  15
    1.2.3 元器件工艺改进  15-16
    1.2.4 动态电压缩放技术  16
    1.2.5 功率门控技术  16
  1.3 近阈值技术综述  16-19
  1.4 国内外研究现状  19-20
  1.5 本文工作和章节结构  20-22
第二章 SRAM 概述  22-32
  2.1 SRAM 的体系架构  22-23
  2.2 SRAM 存储单元  23-28
    2.2.1 SRAM 保持数据原理  26
    2.2.2 SRAM 写数据原理  26-27
    2.2.3 SRAM 读数据原理  27-28
  2.3 外围电路  28-31
    2.3.1 地址译码电路  29
    2.3.2 读写控制电路  29-30
    2.3.3 灵敏放大电路  30
    2.3.4 其余外围结构  30-31
  2.4 本章小结  31-32
第三章近阈值SRAM 存储单元设计  32-52
  3.1 SRAM 存储单元架构设计  32-40
    3.1.1 近阈值下传统6T SRAM 的缺陷  32-37
    3.1.2 近阈值下SRAM 存储单元架构设计  37-40
  3.2 近阈值下SRAM 存储电路晶体管参数设计  40-45
    3.2.1 晶体管参考模型  40-42
    3.2.2 晶体管阈值电压的设计  42-43
    3.2.3 晶体管宽长比的设计  43-45
  3.3 近阈值下7T SRAM 的HSPICE 仿真验证  45-50
    3.3.1 写数据时序仿真  45-47
    3.3.2 读数据时序仿真  47-50
  3.4 性能评估  50-51
  3.5 本章小结  51-52
第四章近阈值SRAM 外围电路设计  52-62
  4.1 地址译码电路设计  52-57
    4.1.1 译码电路结构  53-55
    4.1.2 信号选择电路结构  55-57
  4.2 灵敏放大电路设计  57-60
  4.3 其余外围电路  60-61
  4.4 本章小结  61-62
第五章总结与展望  62-64
  5.1 总结  62
  5.2 展望  62-64
参考文献  64-67
附录  67-71
致谢  71-72
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  72-74

近阈值低功耗SRAM研究设计

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