（电路与系统专业论文）65nm高性能sram体系架构及电路实现.pdf

摘要 摘要 嵌入式s r a m 作为s o c 芯片的重要组成部分，其性能决定了高性f j 匕s o c 整体 性能的提升。近年来，虽然得益于集成电路设计方法，e d a 技术及集成电路制造 工艺的发展，嵌入式s r a m 在速度，密度及功耗等性能指标上得到了很大程度的 提升，但是微处理器的处理速度的提升高于s r a m 性能提升速度，因此s r a m 性 能的进一步提高仍然是高性能s o c 的迫切需求。 本论文基于国家核高基重大专项嵌入式c p us r a m 编译器关键技术研究 在s m i c6 5 n m _ - e 艺下实现了一款1 6 k b 高性f j e s r a m i 殳i t - ：为满足在1 2 v ，典型1 二 艺角，室温下读出延时( t c q ) 小于8 0 0 p s ，面积小于2 8 8 2 6 5 1 2 u r n 二的设计指标， 本论文从s r a m 整体架构设计，高性能译码电路设计，精确时事f 乜路，_ 生，面积 优化等多方面进行了优化设计。 首先，本论文对现有i j s r a m 架构设计方法的优缺点，适用条件做了详细的 分析。在分析的基础上，根据本论文中1 6 k bs r a m 的特点，选择仔储阵列划分的 架构设计方法术实现该1 6 k bs r a m 。为选择最优的阵列划分方法，文中对两种划 分方法进行仿真验证，比较其f ，t 能及实现面积，选择了其i 1 一种最优( i ：j s r a m 架 构实现方法；其次，考虑到精确( i o s r a m 时序产生电路设计能有效的提高s r a m 的整体工作速度，降低功耗，本论文对精确 i j s r a m 时序产生电路进行了详细而 深入的分析。早期采用反相器链来实现时序控制的方式存在反相器延时不能仃效 跟随存储单元读操作放电延时的问题，而且在深亚微米工艺下，工艺偏差增大， 这种问题越来越突出。为解决反相器链时序产生电路的缺陷，电容比及电流比复 制位线技术被提出，这两种复制位线技术采用冗余的复制列及复制单元来模拟存 储单元的读操作以产生s r a m 控制信号。电容比及电流比复制位线技术中复制列 的单元与存储阵列单元一致，保证复制列的寄生电容与存储阵列的位线寄生电容 一致，复制单元读操作电流与当前读操作单元电流一致，因此能准确的跟随s r a m 读操作放电延时。上述两种技术只能保证在固定电源电压下时序信号的精确产生， 当s r a m i 作在某一电压范同内时，采用电容比及电流比技术实现时序控制时出 现随电源电压变化，位线放电延时增加，降低了s r a m 性能的问题。本论文针对 工作在一定电压范围内的s r a m ，创造性的提出一种可编程复制位线技术保证 s r a m 在所有工作电压下均能精确产生时序信号，仿真与测试结果均显示本文中 1 6 5 n m 高性能s r a m 体系架构及电路实现 提出的可编程复制位线技术很好地提升了s r a m 性能：再次，本论文通j 立对现有 译码电路结构形式及特点进行了分析比较，选择全静态译砰5 逻辑来实现本论文中 1 6 k bs r a m 。在对译码电路中晶体管进行尺寸设定时采用逻辑努力分析方法， 确定在6 5 n m 3 2 艺下获得最优延时的逻辑门的扇出值。考虑到6 5 n m 工艺下，线延 时已经能够与逻辑门延时相比拟，特别是在s r a m q l 从预译码到_ 级译码需经过 很长互连线的情况，本论文讨论了采用包含互连线延时的j 矍辑路径设计方法，并 最终实现了本论文中的高速译码电路。 本论文实现的1 6 k bs r a m 在典型电压下后仿读比延时为5 4 0 p s ，满足- j ，设汁 指标。在s m i c6 5 n m t 艺下的流片测试结果丧明：衰l6 k bs r a m 能l ：作以i 0 8 ，1 - l v 电源电压范围，工作频率范用为4 4 0 m h z 1 6 2 g h z 。白：1 2 v 典型电源f 毡压、室温条 件下，s r a m _ 1 2 作速度达到1 2 2 g h z ，而税为2 2 7 6 2 7 6 r t m 二远小于设汁要求的 2 8 8 2 6 5 1 2 u m 二。为验证沦文中可编程复制位线技术的f 效性，本论文对采川新技 术及电流比复制位线技术实现h , j s r a m 进行比较，结果表明随| 乜源电压变化采用 新技术的s r a m 的最高工作频率比电流比复；6 0 位线技术提升了4 3 9 5 。 关键字：嵌入式s r a m ，架构设计，复制位线技术，灵敏放大器，译码电路 2 a b s t r a c t a bs t r a c t t h ee m b e d d e ds r a mi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h es o cc h i p s a n di t sp e r f o r m a n c e d e t e r m i n e st h ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n to ft h es v h o l es o cs ) s t e m s inr e c e n ty e a r s t h a n k st ot h ed e v e l o p m e n to ft h ei cd e s i g nm e t h o d o l o g y e d at e c h n o l o g ya n di c m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，t h es p e e d ，d e n s i t ya n dp o 、e r o ft h ee m b e d d e ds r a mh a v e b e e n i m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y , b u t t h e p r o c e s s i n gs p e e di m p r o v e m e n t o ft h e m i c r o p r o c e s s o r i s h i g h e r t h a nt h es r a m s t of u r t h e ri m p r o v e t h es r a m p e r f o r m a n c ei ss t i l lt h eu r g e n tn e e d so f h i g h p e r f o r m a n c es o c i nt h i sd i s s e r t a t i o n al6 k bh i g h p e r f o r r n a n c es r a md e s i g ni s r e a l i z e do nt h e b a s i so f t h en a t i o n a lk e yp r o j e c t t i l ek e ) 。t e c h n i q u e sr e s e a r c h i n go f t i l es r a mc o m p i l e r f o re m b e d d e dc p u f o rm e e t i n gt h er e q u i r e m e n t st h a tt h ec l k t oqd e l a ) ( t c q ) i sl e s s t h a n8 0 0 p sa tt h ec o n d i t i o no fi 2s u p p l ) 、7 0 l t a g e t ) p i c a lp r o c e s sc o r n e ra n dr o o l n t e m p e r a t u r e a n dt h ea r e a i sl e s st h a n2 8 8 2 6 5l2 u r n 二t h i sd i s s e r t a t i o no p t i m i z e st h e s r ama tt h ea s p e c t so fa r c hi t e c t u r ed e s i g n h i g h p e r f o t m a n c e d e c o d e rd e s i g n a c c u r a t et i m i n gc i r c u i td e s i g na n da r e ao p t i m i z a t i o n a tf i r s t ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ee x i s t i n g s r a ma r c h i t e c t u r ed e s i g nm e t h o d si nd e t a i l o nt h eb a s i so ft h ea n a l ) s i sa n dt h e f e a t u r e so ft h e1 6 k bs r a mw i l lb er e a l i z e d ，t h em e m o r ya r r a yd i v i d e dm e t h o di s c h o s e nt or e a l i z et i l e16 k bs r a m t oc h o o s et h eo p t i m a la r r a yd i v i d e dm e t h o d ，t w o d i v i d e dm e t h o d sa r es i m u l a t e da n dc o m p a r e d ，a n df i n a l l ) 7t h eb e t t e ro n e w h i c hh a st h e h i g h e rp e r t o r m a n c ei sc h o s e n ；s e c o n d ，c o n s i d e r i n gt h a tt h e a c c u r a t et i m i n gc o n t r o l c i r c u i t d e s i g nc a ni m p r o v et h es r a mo p e r a t i o n a ls p e e da n d l o w e rt h ep o w e r d i s s i p a t i o ne f f e c t i v e l y , t h i sd i s s e r t a t i o n d i s c u s s e st h ea c c u r a t et i m i n gc o n t r o lc i r c u i t d e s i g nm e t h o d s t h ei n v e r t e rc h a i nd e l a ym e t h o dw a su s e di n t h ee a r l yt i m e ，b u tt h i s m e t h o dh a dt h ep r o b l e mt h a tt h ei n v e r t e rc h a i nd e l a yc o u l d n tf o l l o wt h ed e l a yo f t h e m e m o r yc e l ld i s c h a r g i n gt h eb i t l i n e ，a n d t h i sp r o b l e mi sm o r es i g n i f i c a n ta st h e p r o c e s sg o e si n t ot h ed e e p - s u bm i c r o m e t e r t or e s o l v et h ep r o b l e m ，c a p a c i t a n c er a t i o r e p l i c ab i t 1 i n et e c h n i q u ea n dc u r r e n tr a t i or e p l i c ab i t l i n et e c h n i q u ei sp r o p o s e d t h e s e t w or e p l i c at e c h n i q u e su s et h er e p l i c ab i t l i n ea n dr e p l i c am e m o r yc e l lt oe m u l a t et h e 3 b i t l i n ec a p a c i t a n c ea n dm e m o r yc e l lr e a d i n gc u r r e n t s ot h e ) 7c a nf o l l o wt h em e m o r y b i t 1 i n ed i s c h a r g i n gt i m ea c c u r a t e l y t h ep r o b l e mo ft h et x x or e p l i c at e c h n i q u ei s t h a t t h e yc a no n l yg e n e r a t et h ea c c u r a t et i m i n gs i g n a l s a tt h ef i x e ds u p p l yv o l t a g e h h e n t h e yw o r ki nav o l t a g er a n g e t h eb i t l i n ed i s c h a r g i n g t i m e 、i l ii n c r e a s e da st h es u p p l y v o l t a g er i s e s t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e sap r o g r a m m a b l er e p l i c ab i t - l i n et e c h n i q u et o g u a r a n t e et h es r a mc a ng e n e r a t et h ea c c u r a t et i mi n gc o n t r o ls i g n a l sa t av o l t a g e r a n g e t h e s i m u l a t i o na n dt e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dt e c h n i q u ec a n i m p r o v et h es r a mp e r f o r m a n c ee f f e c t i v e l ) ，：a tl a s t t h ec m o s s t a t i cl o g i cc i r c u i ti s c h o s e nt or e a l i z et h ed e c o d e ro ft h el6 k bs r a m 、h e ns e t t i n g t h et r a n s i s t o r d i m e n s i o ni nt h ed e c o d e rc i r c u i t t h et h e s i su s e st h el o g i ce f f o r ta n a l ) t i c a lm e t h o dt o d e t e r m i n et h ef a n o u to ft h el o g i cg a l e sa n da c q u i r et h eo p t i m a ld e l a ) o ft h el o g i c c h a i n s b e c a u s eo ft h ei n t e r c o n n e c td e l a ) i sc o m p a r a b l et ot h el o g i cg a t e sd e l a ) i n 6 5 n mp r o c e s s a n dt h ei n t e r c o n n e c t i n gl i n ef r o mp r e d e c o d e rt os e c o n di e 、e ld e c o d e ri s l o n g t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h el o g i cp a t h sd e s i g n m e t h o d i 。h i c hc o n t a i nt h e i n t e r c o n n e c t ，a n df i n a l l yt h em e t h o di su s e dt or e a l i z et h eh i g h s p e e dd e c o d e rc i r c u i to f t h e1 6 k bs r a m t h ep o s t 1 a y o u ts i m u l a t i o ns h o w st h ed a t ar e a d i n go u td e l a yi s5 4 0 p sa t i 2 v s u p p l yv o l t a g e ，a n dt h ev a l u em e e t t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h e16 k bs r a mi s l h b r i c a t e db yu s i n gt h es m i c6 5 n mp r o c e s s ，a n dt h et e s tr e s u l t sd e m o n s t r a t e st h a t i t c a no p e r a t ei nav o l t a g er a n g ef r o m0 8 vt o1 4 v , a n dt h eo p e r a t i o n a lf r e q u e n c yr a n g e i sf r o m4 4 0 m h zt o1 6 2 g h z t h es r a mo p e r a t i o n a lf r e q u e n c yi s1 2 2 g h za t 1 2 v s u p p l yv o l t a g ea n dr o o mt e m p e r a t u r e ，a n dt h ea r e ai s2 2 7 6 2 7 6 9 m 2 ，m u c hl e s st h a nt h e v a l u e2 8 8 2 6 512 u m 2w h i c hi sr e q u i r e d t ov e r i f yt h ee f f e c to ft h ep r o g r a m m a b l e r e p l i c ab i t 1 i n et e c h n i q u e ，t h es r a mu s i n gt h ec u r r e n tr a t i oi s r e a l i z e da n dc o m p a r e d ， t h er e s u l t se l a b o r a t et h en e wt e c h n i q u ec a ni m p r o v et h eh i g h e s to p e r a t i o nf r e q u e n c y f r o m4 3 t o9 5 a st h es u p p l yv o l t a g ei n c r e a s e df r o m0 8 vt o1 4 v k e yw o r d s ：e m b e d d e ds r a m ，a r c h i t e c t u r ed e s i g n ，r e p l i c ab i t - l i n et e c h n i q u e , s e n s ea m p l i f i e r , d e c o d e rc i r c u i t 4 图目录 图目录 图1 12 0 0 0 年到2 0 1 0 年i e e e 数据库中高性能s r a m 文章i 周研6 图1 2 多电源电压技术7 图1 3p i p e l i n e 结构s r a m 数据流8 图2 1s r a m 基本组成结构图1 3 图2 2 传统六管单元结构1 3 图2 38 管单元结构一l5 图2 - 4s r a m 操作时序波形l5 图2 5 字线分割结构图l7 图2 - 6 分层字线译码电路结构l8 图2 71 2 8 k bs r a m 阵列划分架构1 9 图2 8 本论文中1 6 k bs r a m 架构图2 0 图3 1 早期反相器延时控制方法2 2 图3 2 位线电位差建立延时与反相器延时随工作条件的变化2 3 图3 3 位线放电延时与反相器延时的比随工作条件的变化2 3 图3 4 锁存型s a 结构2 4 图3 5 电容比复制位线结构图2 5 图3 - 6 位线延时与电容比复制位线延时的比随工作条f 牛变化2 5 图3 ：7 电容比复制位线时序控制电路2 6 图3 8 基于电流比的复制位线延时控；b 0 技术示意阁2 7 图3 - 9 基于电流比复制位线技术工作波形图2 7 图3 1 0 位线延时与f 也流比复制位线延时的比一2 8 图3 1 ls a 失调电压与l 乜源f 电压关系 6 5 n m 工艺2 9 图3 1 2 采用电流比复制位线技术时电压差随电源电压变化3 0 图3 1 3 位线电压差随电源电压及复制单元数变化情况3 0 图3 1 4 复制单元数可编程的位线复制电路原理图3 l 图3 15 可编程复制位线技术仿真波形( 1 4 v ，t t 2 5 ) 3 2 图3 1 6 电流比结构和新技术在不同电源电压下位线l l 三压差建立比较3 3 图4 一ls r a m 关键路径组成3 4 图4 2s r a m 译码电路结构3 4 图4 3s c l 结构脉冲信号电路技术3 5 图4 4 尺寸偏移技术3 6 图4 5 自复位逻辑电路3 6 图4 - 6 驱动负载c l 的n 级反相器链3 7 图4 7 反相器r c 模型3 7 图4 8 反相器链最小延时与反相器级数及总扇出的关系3 9 图4 - 9 归一化延时与f 的关系4 0 图4 1 0s m i c6 5 n m 工艺下反相器链设计4 l 图4 1l 反相器环振4 3 图4 1 24 1 6 译码器电路关键路径。4 6 图4 1 3 存在互连线延时的反相器链。4 7 图4 1 46 6 4 译码器电路关键路径4 8 图4 1 53 8 译码电路结构5 0 6 5 n m 高性能s r a m 体系架构及哇三路实现 4 i6 本论文中l6 k bs r a m 译码电路结构5l 4 17 译码电路仿真波形5l 5 1 1 6 k bs r a m 外部信号及整体结构一5 3 5 2 】6 k bs r a m 读写操作波形一5 5 5 3s r a m 版图整体布局5 5 5 - 4l6 k bs r a m 版图详细布局一5 6 5 51 6 k bs r a m 整体版图一5 6 5 61 6 k bs r a m 测试方案图一5 7 5 7s r a m 最高频率测试流程图5 7 5 81 6 k bs r a m 芯片拍照图5 8 5 9 测试结果5 8 i v 图图图图图图图图图图图 袭日录 表目录 表卜l 国内主要s r a mi p 产品设计公司9 表1 2 嵌入式s r a m 设计方法比较9 表2 1 不同阵列划分方法比较1 9 表3 1 外部控制信号与读出路径关系3 2 表3 2 采用新技术得到的s r a m 性能提升3 3 表4 1 反相器链设计仿真数据4 2 表4 2 常用逻辑门的逻辑努力4 2 表4 3 不同的4 1 6 译码电路仿真数据4 6 表4 46 6 4 译码电路仿真结果5 0 表5 1 1 6 k bs r a m 前仿数据5 4 表5 21 6 k bs r a m 后仿真数据5 7 表5 3 采用不同复制位线s r a m 性能比较5 8 表5 4 本论文1 6 k bs r a m 没汁属性总结5 9 v 笫i 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及来源 随着半导体制造工艺和集成电路没计技术及能力的不断进步，处理器、存储 器、模拟电路、接口逻辑甚至射频电路被集成到一个芯片上，实现一个片上系统 ( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) ，并且s o c 设计成为了现代集成电路设计的主流技术。 而近年来随着移动通信技术、3 d 技术、g p s 导航技术、高速无线网络技术的迅速 发展及普及要求s o c 心o 。4 - - 片具有更高的数据处理能力、更高的：f f t 速瞍及更低的功 耗。嵌入式存储器作为s o c 芯片的重要组成部分占据j ，整个s o c 芯片面积f l ，j 主要部 分，据预测，到2 0 1 4 年，片上存储器面积将。i 整个s o c ：占片f 1 9 9 4 1 引，而嵌入式 s r a m 凶其高速、低功耗、高鲁榨性的特性占据片上存储器的7 0 以一卜h i ，因此 嵌入式s r a m 的性能严重影1 i 向着s o c 芯片的性能。 另一方面，半导体制造 ：艺的进步往减小品体管特征j o j 。提高集成【乜路密度 的同时也提高了集成l u 路的工作速度。与数字集成电路随晶体管特征尺、j 减小速 度快速增长不同，s r a m 的速眨增长比较缓慢。据调查研究表明嵌入式做处理器 的速度在最近几年一直以每年6 0 的速度持续增长。而存储器的1 二作速度增长见0 要相对缓慢的多，每年仅增k 1 09 5 左右，两者之间的性能差异越来越大，因此嵌 入式s r a m f l , j 性能也越来越成为系统级芯片的性能瓶颈5 。9 1 。这一性能瓶颈促使 人们采用各种各样的方法来提高片上s r a m 向s o c 提供数据的速度和能力。常用 的有：增加片上s r a m 的存储密度，利用片上总线的带宽优势以更快的速度向s o c 提供数据；优化s o c 片上c a c h e 结构及c a c h e 调度算法，提高s o c 在片上s r a m 存取 数据的概率，以此来提高s o c 的整体数据处理能力；设计速度更高更快的s r a m 电路，以缩d s r a m 速度与s o c 速度的差距来提高整个s o c 的工作速度。在上述的 三种方法中提高s r a m 工作速度作为一种直接有效的方法，能在根本上解决s o c 速度问题，因此一直以来都是世界各主要半导体设计公司及研究机构的研究热点。 在当今社会，s o c 系统的应用己经深入到了日常生活、工业控制、国防应用， 航天，科研计算等各个领域，这些领域的市场应用要求s o c 系统具有越来越高的 数据处理能力，同时它们也成为了高性能嵌入式s r a m 获得长足发展的主要推动 力。 5 6 5 n m 高性能s r a m 体系架构及电路实现 1 2 国内外研究状况 半导体存储器的发展始于上世纪6 0 年代未期，从那时起存储器便与微处理器 的发展一起成为了决定半导体j = 、业z 之眨的两个主要冈索。1 9 6 5 年，仙童公司的施 密特使用m o s 技术实现了存储器单元：1 9 6 9 年，英特尔公司推出了第一个商业性 产品，使用多晶硅p 型沟道工艺的2 5 6 b i t 静态随机存取存储器( s t a t i cr a n d o m a c c e s sm e m o r y ，s r a m ) ，由此，半导体存储器正式进入j ，集成电路产业历史的 舞台i m l 。 现代社会，由丁：移动通倩技术、3 d 技术、g p s 导航技术、高速无线网络技术 的迅速发展及这些应用预域埘高陀能的需求商推动着高f ! e 能嵌入式s r a m 存储 器市场持续而稳定的发展，l i d l , t 也推动着圈内外的半导体存储器i 殳i - t 公刊及：要 的研究机构住高性能s r a m 设计方面的研究。通过对i e e e 数据库中关。r 高性能 s r a m f l 勺文章进行的统汁数据表明，从2 0 0 0 年y i j 2 0 1 0 年i e e e 数据库中关于高性能 s r a m 的文章基本呈脱逐年增f u 的趋势，如图1 1 所示。 s r a m & b i g hp e r f o r l n a n c e 论文总数口1 3 3 1 9 8 61 9 8 81 9 9 0 1 9 9 21 9 9 4 1 9 9 6 1 9 9 82 0 0 02 0 0 22 0 0 42 0 0 62 0 0 82 0 10 年份 图1 12 0 0 0 年到2 0 10 年i e e e 数据库中高性能s r a m 文章调研 1 2 1 国外研究状况 工艺的进步能有效提高集成电路的性能，因此国外主要的半导体公司通过不 断的工艺改进使得s r a m 的性能得到了大幅的提高。2 0 0 9 年i n t e i 公司基于4 5 n m 高 k 值金属栅工艺实现了一款1 5 3 m b 的高性能低功耗s r a m ，该s r a m 在1 1 v 电压下 的工作频率可达到3 8 g h z i 12 1 ，当电源电压下降到0 9 v 时还能够获得2 7 g h z 的工 作频率，与先前6 5 n m m 艺下的相同设计相比速度提高了2 5 。在接下来的2 0 1 0 年， i n t e l 又推出一款2 9 l m bs r a m ，采用3 2 n m 应力增强的高k 金属栅c m o s 工艺，与 4 5 n m 工艺下相同设计相比，存储密度提高了一倍，6 t 单元面积仅为0 1 7 1 u m 2 ，而 6 5 2 9 6 3 o 譬 第1 章绪论 速度! j ! | j 提高了1 5 ，在对一块3 2 5 m b 的芯片进行测试的结果表明在1 0 v 电源电压 下工作频率为4 g h z i b 4 1 当工作电压为0 8 v t _ , t 频! 簪为2 0 h z 。同时该设计能：【作于 较宽范围的电源电压，能根据具体的3 - 作环境及条件调? 市s r a m 电源电压，与现 有的d v s 技术兼容，而集成的功耗管理单元则使其泄漏功耗降低了5 8 。2 0 0 8 年， i b m 公司在4 5 n ms o l 工艺上实现了一款51 2 k b 的s r a m ，该s r a m 读取时间为 410 4 5 0 p s l l5 1 。 在高速s r a m 设汁方面，除了采用先进的工艺之外对s r a m 进行电路层而 的设计也是提高其性能的霞要方法【l b ：翔。双电源电压技术作为一种能有效提高 s r a m 性能和良率的技术设f “泛的使川i b m 公卅b e n j a m i ns t o l t 等人介绍了 p o w e r 6 处理测i ，在对其中h ：j s r a m 进行设计时，采用双电源电压技术，单元 阵列和字线驱动采j | j 更商的i u 源l u 压供电，而其他外围【u 路朵川常规的电源电压， 如下圈1 2 所示提高单元，支亨线驱动电压不仅能提高s r a m 的读写操作速度。 还能提高单元稳定性达到速度与稳定性的折中，旧时又 i 影响其他数字逻j i 单元。 因为s r a m 速度的提升，p o w e r 6 处理器的工作速度达到丫5 0 h z 以上。 w l d r i v e r m e i n o r y c e l l s ( hi g h e r ( h i g h e rv d d ) v d d ) _ 卜 d e e o d e rd a t ad r i v e r i o 图1 2 多电源电压技术 m u h a m m a dk h e i l a h ( i n t e l ) 等人设计用于l 3c a c h e 的2 5 6 k bs r a m ，该s r a m 同 样采用了双电源电压技术，单元阵列及字线驱动采用恒定的1 2 v 电源电压，外围 电路根据需要采用d v s 技术进行实时调节，该设计在1 2 v ，8 5 0 c 条件下，工作频 率达至l j 4 g h z 2 4 - 2 5 。 i b m 公司设计的用于c e l lb r o a d b a n de n g i n e 处理器的s r a m 采用p i p l i n e 结构 2 6 1 ，如图1 3 所示，采用p i p l i n e 结构之后，s r a m 的工作速度达到了6 g h z ，提高 了 c e l lb r o a d b a n de n g i n e 处理器的整体性能及处理数据的能力及吞吐率。 7 6 5 r i m 高性能s r a m 体系架构及l u 路实现 - 一一! 一矗e x ：i ；? 。一 j j ；heci，d； ； b 、t es e l e c t d m t m 1 “ i - ? 一一一一一- 一 一一一一一 一j 一一一一一 一一；：) - 1 i 一一 一一! 一一一一e k x ，2 ij 一 ：1 - + 一a ，。，； ； a c c e 矗j 一 一一：登3 7 ：f x 4 图1 3p i p e l i n e 结构s r a m 数据流 r j o s h i 等人基于4 5 r i mp d s o ! 丁艺设计了4 m bljc a c h e ，lv 情况下能够工 作在6 5 g h z i ”i ，i 爱, s r a m 采j j1 r 精确f l ：j n , h q , 脉冲控制器干1 1 高速的动态译码器，刚 时采用高速的读写缓冲器大大缩短了关键路径上的延时。x u e l i a nl i u 基十0 1 3 u r n i b ms i g eb i c m o s ；1 ：艺设计了1 6 k bs r a m ，采用电流摸结f 0 c m l 实现译码器、 驱动电路，川b j t 实现s a ，实现低的失调电压，该设计实现了4 g h z t _ 作频率1 2 8 i 。 在数据读f 路径中灵敏放大器作为重要的组成部分，其速度严重影响菥整个 s r a m 的性能，高速灵敏放大器的使用为高性能s r a m 设汁提供了一种有效而可 靠的方法。m i t 在2 0 0 8 年设计了一款s r a m 设计，采用4 5 n m 工艺，采用小信号非 选通再生灵敏放大结构，与传统的灵敏放大器结构相比在3 0 偏差时，对2 5 6 x 2 5 6 的单元阵列读出速度提升t 2 0 t 2 9 1 。 1 2 2 国内研究状况 国内在嵌入式s r a m 方面的研究与国际还存在比较大的差距，所采用的工艺 节点基本在6 5 n m 及以上。基于6 5 n m t - 艺的研究只有国防科技大学和浙江大学， 而且只做到后仿验证，并且没有测试结果，国防科技大学设计的1 2 8 x 1 2 0 的嵌入式 s r a m 采用流水线结构在i v ，1 2 5 。c 下后仿真工作频率为3 g h z 10 1 。而浙江大学设 计的1 0 2 4 x 3 2b i ts r a m 后仿读出数据延时为5 4 8 p s 【3 0 1 。 国内公司从事s r a mi p 产品设计的公司很少，下表卜l 为西安华芯及s m l c 公司高速s r a mi p 产品。 8 第1 章绪沦 表l - 1 国内主要s r a mi p 产品设计公司 是否典型s r a mi p 公司c o m p i l e rc o m p i l e r 性能 工艺 容量 读出延时 设计 ( i i s ) 西安华芯 日 高速，l k b 1 6 m b i t s m i c6 5 n m5 l2 k bi 6 疋 s m i c足高速，l k b 5 1 2 k b i t s m i c6 5 n m5 1 2 k b1 3 3 8 s m i c是超高速，lk b 1 2 8 k b i ts m i c6 6 n m 1 2 8 k b0 7 1 3 嵌入式s i 认m 设计方法 嵌入式s r a m 一般有以下两种设计方式： 1 ) 编译器( c o m p i l e r ) 设计技术：采用预先设计的s r a m 模块电路( 包括存储单 元阵歹0 、译码器，灵敏放，：器、挖制i 乜路等) 。眼据用户需求输入需要生成 s r a m 的字长、位长等指际，完成s r a m 版图以及各种仿真模型的自动牛 成。这种设计方法没计剧期短、具有更高的设计效率、j 叫时能够生成嵌入 式s r a m 所必需的仿真模型，适用二t 二人容量的s r a m 设汁。但是没计出 来的s r a m 设计面积较大，h 整体系统性能较低。另外当系统设汁需要增 加新的功能时，这种设计方法显得彳：够灵活。 2 ) 伞定制设计( f u l lc u s t o md e s i g n ) 技术：按照设计要求从每一个半导体器 件图形、尺j j 开始设计，赢至整个版图的布局和布线。这种设计方法可恨 据具体应用需求随意的对s r a m 架构，电路模块进行设计，对每一个器件 进行电路参数和版图参数优化，并且不断完善版图设计，使每个器件以及 内部连接安排得最紧凑、最合适。与s r a m 编泽器技术相比，全定制设计 嵌入式s r a m 可以较好地满足系统各方面的要求，具有很高的灵活性和针 对性，在减少芯片尺寸，提高i 芯片集成度等方面发挥了积极效果。 编译器技术设计s r a m 周期短，但灵活性较差，生成的s r a m 只能满足系 统体系结构的基本要求，这种设计方法多用于与系统相关性不强的嵌入式s r a m 设计；而全定制设计方法可以按照系统要求量身定制，设计的s r a m 不仅能满足 体系结构的基本要求。而且能灵活地适应体系结构的其它要求。具有高速、低功 耗、集成度高的优点，表1 2 为两种设计方法优缺点的总结。 表卜2 嵌入式s r a m 设计方法比较 m e m o r yc o m p i l e r 方法和全定制设计方法优劣比较 设计方法设计周期可重配置性扩展成本性能 传统全定制约3 五月 不可以 很高很高 c o m p i l e r 四个小时 可以 很低适中 9 6 5 n m 高性能s r a m 体系架构及电路实现 目