（电路与系统专业论文）65nm+sram的设计.pdf

摘要 随着半导体加工工艺的发展，晶体管的特征线宽越来越小，现已降到数十纳 米数量级。这一变化趋势在提高芯片集成度的同时提高了晶体管的工作速度，但 也加剧了晶体管阈值电压的波动，给s r a m 的设计带来新的挑战。 论文以提高速度，降低功耗、减小面积和抑制工艺波动为主要目标，通过研 究6 5 n ms r a m 的结构，最终设计完成了一块1 0 2 4 x 3 2 的s r a m ，其版图面积为 0 0 3 7 6m m 2 ，带r c 的后仿真的平均工作电流为4 3 m a ，c l k 到q 的时间为 0 5 4 8 n s 。论文的主要研究内容如下： 一、分析研究了s r a m 的多路选择架构。从理论上分析了s r a m 多路选择 架构中一级架构和二级架构及其相应单边结构和双边结构的性能，指出随着灵敏 放大器特征数字的增加，二级架构的性能相对于一级架构的优势越来越明显；二 级架构的最优结构出现在其两级译码的两个特征数字相近时。该最优两级架构最 多可以使s r a m 读取时间比传统一级架构减少3 3 6 。 二、分析研究了s r a m 的时钟电路。从概率学角度分析比较了两种主流的 放电电路的性能，并通过1 0 0 ，0 0 0 次蒙特卡罗的仿真证明了分析结果，最终选用 较优的一种构建了时钟电路。这个时钟电路很好地实现了s r a m 各部分的协同 工作，并且具有在流片后再调节s r a m 性能的功能。 三、分析研究了s r a m 的译码电路。指出了译码电路设计中要考虑的众多 因素，说明了减少功耗、增加存取速度的译码电路的设计方法，分析介绍了l o g i c a l e f f o r t 理论在译码电路设计中的应用。并为非对称逻辑门建立了电路模型，分析 了其优势，指出了其在译码电路中的作用。 关键词：s r a m ，多路选择器，时钟产生电路，译码电路 i i i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y , t h ef e a t u r es i z eo ft r a n s i s t o r i ss h r i n k i n gd o w nt ot e n so fn a n o m e t e r a sr e s u l t s ，i t ss p e e de o n t i n u o s l yi n c r e a s e s h o w e r e r , p r o c e s sf l u c t u a t i o n s a l s oi n c r e a s e sw i t ht h es h r i k a g ea n db r i n g sm o r e c h a l l e n g e st os r a md e s i g n a i m e da ti n c r e a s i n gs p e e d ，r e d u c i n gp o w e ra n d a r e a ，s u p p r e s s i n gp r o c e s s f l u c t u a t i o n s ，t h i st h e s i sd e s i g n e da10 2 4 x 3 2s r a mb a s e do nt h er e s e a r c ho f6 5 n m s r a ma r c h i t e c t u r e t h el a y o u ti s0 0 3 7 6m m z ，t h ea v e r a g ec u r r e n ti s4 3 m aa n dt h e c l kt oqi s0 5 4 8 n si np o s ts i m u l a t i o n t h em a i nc o n t e n ti sa sf o l l o w s ： 1 t h r o u g hr e s e a r c ho ns r a mm u x ，t h ep e r f o r m a n c e so fo n e t i e ra n dt w o t i e r a r c h i t e c t u r ea n dt h e c o r r e s p o n d i n gs i n g l e a n dd u a ls t r u c t u r e sw e r e a n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y , f r o mw h i c hi tw a sd e r i v e dt h a tt h el a r g e rt h ec h a r a c t e r i s t i cn u m b e ro f s e n s ea m p l i f i e r , t h eb e t t e rt h et w o - t i e ra r c h i t e c t u r ei nc o m p a r i s o nw i t ho n e t i e ro n e t h eo p t i m u mt w o t i e ra r c h i t e c t u r ei sa c h i e v e dw h e nt h ec h a r a c t e r i s t i cn u m b e r so ft h e t w o s t a g ed e c o d e ra r ec l o s e t h eo p t i m u mt w o - t i e ra r c h i t e c t u r ec o u l dr e d u c eu pt o 3 3 6 o fr e a da c c e s st i m ec o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lo n e - t i e ro n e 2 s r a mc l o c kg e n e r a t o rw a sa n a l y z e da n dr e s e a r c h e di nd e t a i l s t h e p e r f o r m a n c e so ft w om a i n s t r e a md i s c h a r g ec i r c u i t sw a sa n a l y z e da n dc o m p a r e db a s e d o np r o b a b i l i t y a n dt h e t h er e s u l t sw e r ev e r i f i e db yo n eh u n d r e dt h o u s a n dm o n t e c a r l os i m u l a t i o n s b a s e do ni t ，t h eb e t t e rd i s c h a r g ec i r c u i tw a sc h o s e nt ob u i l dt h e c l o c kg e n e r a t o r t h ec l o c kg e n e r a t o ri sc a p a b l eo fw e l lc o o r d i n a t i n gt h ed i f f e r e n tp a r t o fs r a m b e s i d e s ，i tc a nd y n a m i c a l l ya d j u s tt h ea c c e s ss p e e df o rm a n u f a c t u r e dc h i p 3 t h r o u g ha n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gt h es r a md e c o d e rc i r c u i t , t h ei m p o r t a n t f a c t o r si ns r a m d e s i g nw e r ed e r i v e da n dt h ed e s i g nm e t h o d o l o g yf o rl o wp o w e ra n d f a s ta c c e s sd e c o d e rw a si n t r o d u c e d 。m e a n w h i l e , t h e a p p l i c a t i o no fl o g i c a le f f o r t t h e o r yt od e c o d e rd e s i g nw a sd i s c u s s e da n de x p o u n d e d f i n a l l y , t h ec i r c u i tm o d e lo f a s y m m e t r i cl o g i c a lg a t e sw a sb u i l ta n di t sa p p l i c a t i o nt od e c o d e rd e s i g nw a s i n t r o d u c e db a s e do na n a l y s i so fi t sa d v a n t a g e s k e yw o r d s ：s r a m ，m u x ，c l o c kg e n e r a t o r , d e c o d e r 图目录 图1 1 个人电脑存储器1 图1 2 半导体存储器在s o c 芯片中的比重【4 】2 图2 1 单端i ：1 同步s r a m 输入输出信号7 图2 2s r a m 框图7 图2 3 写操作波形。9 图2 4 读操作波形1 0 图3 14 t 2 rs r a m 存储单元1 l 图3 26 tc m o s 存储单元1 2 图3 36 t 存储单元漏电流分布13 1 1 2 图3 4 写状态的6 t 存储单元1 3 图3 5 读状态的6 t 存储单元1 3 图3 68 ts r a m 存储单元。1 4 图3 78 t 与6 t 存储单元面积比较【i5 1 1 5 图4 1 ( a ) 多米诺( b ) 普通4 输入与非门1 8 图4 2 ( a ) j o h n s o n 或非门( b ) 标准反相器1 9 图4 3j o h n s o n 或非门在不同输入下的模型1 9 图4 43 - 8 译码电路。2 1 图4 5 两级译码2 2 图4 6 多级译码2 2 图4 7 ( a ) 普通逻辑门( b ) 非对称逻辑门2 3 图4 8 图4 7 中逻辑门的电阻模型2 3 图4 9w l 驱动电路2 4 图4 1 0s r a m 形状2 5 图4 1 l4 x l 的s r a m 阵列的译码结构2 6 图4 1 2 放电时间与b l 线存储单元数量关系2 7 图4 1 3 最终译码架构2 7 图5 1 经典( a ) 差分输入单端输出( b ) 差分输入双端输出灵敏放大器3 0 图5 2 经典正反馈灵敏放大器3 l l 图5 3 图5 2 放大器工作波形1 1 1 3 1 图5 4 经典的电压灵敏放大器及其工作波形3 2 图5 5 灵敏放大器( a ) 输入输出共用( b ) 输入输出分离3 3 图5 6a l p a h 1 a t c h 型灵敏放大器。3 3 图5 7a l p h a 1 a t c h 灵敏放大器良品率与输入直流电平3 4 图5 8c b l s a 灵敏放大器3 5 图5 9 灵敏放大器性能比划2 3 1 。3 6 图5 1 0 图5 9 中锁存灵敏放大器类型2 3 6 图5 1 l 最终的灵敏放大器3 7 图5 1 2s a 版图( 部分) 3 8 图5 1 3 灵敏放大器工作波形3 9 图6 1s e 信号及w l 信号的产生4 0 图6 2 经典s r a m 时钟产生电路2 5 1 4 1 图6 3r e p l i c ab i t l i n e 及r e p l i c ac e l l 的设计4 2 图6 4 基于比例电流的时钟电路结构【2 5 1 。4 3 图6 5r a y m o n d 放电单元的设计4 4 图6 6 多放电单元一4 5 图6 7p 型放电与r 型放电1 0 0 ，0 0 0 次蒙特卡罗仿真结果比较4 7 图6 8 最终的放电电路4 8 图6 9 时钟电路的构成4 9 图6 1 0 时钟电路的工作波形。5 0 图7 1 多路选择器框图5l 图7 2 电流型多路选择器5 l 图7 3 一级位线多路选择器5 2 图7 4 一级电压多路选择器小信号模型5 3 图7 56 t 存储单元5 3 图7 6 二级多路选择架构5 5 图7 7 二级架构小信号模型5 6 图7 8 位线传输管失配导致ad l 的波动5 7 v i 图7 9 图7 8 中仿真数据的标准差5 8 图7 1 0s l 结构与s 2 结构5 9 图7 1 ls 3 结构及其相应的单边结构6 0 图7 1 2s 5 结构6 1 图7 1 3 栅宽与s r a m 读取时间的关系6 2 图8 1 系统版图7 0 图8 2 存储单元版图7 1 图8 - 3 系统版图模块分布7 2 图8 4 时钟电路仿真波形7 2 图8 5 读操作时b l 线及d l 线电压波形7 3 i x 表目录 表4 1 常用门的p a r a s i t i cd e l a y ，其中p i n v 的一个典型值为1 o 。1 7 表4 2 常用门的l o g i c a le f f o r t 1 8 表7 1 各种双边架构小信号模型参数值6 3 表7 2 各种单边架构小信号模型参数6 4 表7 3 各种双边架构d l 线放电时间常数6 4 表7 4 各种单边架构d l 线放电时间常数6 5 表7 5 表7 - 3 中对应架构的放电时间及读取时间6 6 表7 6 表7 4 中对应架构的放电时间6 7 表7 7 一级架构及二级架构读取时闻以及两种架构读取时问比较6 8 表7 8 最佳一级架构与最佳二级结构读取时间对比6 8 表8 1 系统后仿真结果7 4 x 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：沈1 气 签字日期： p 年3 月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿态堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权迸姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：出磕 导师签名： 签字日期：f p 年 弓月p 日 签字日期：2 。f 沙年弓月r 1 ) 日 致谢 从2 0 0 3 年进入浙江大学学习以来，我已经在求是园里度过了6 年多的时间。 我要感谢浙江大学给我提供了这么好的一个环境，她教给了我众多的知识，让我 能够适应这个竞争激烈的社会，让我能够为社会的发展贡献我自己的一份力量； 她让我的世界观人生观价值观在我人生最重要的阶段得到了健康茁状的成长，让 我成为一个合格的社会人；她的求是校训滋养了我的心灵，为我的行为提供了一 个最基本的尺度，让我的人生终生受益。 我要感谢我的父母我的姐姐和其它亲人。在我最困难的时候他们给我提供了 最直接的帮助，帮我度过难关；他们在我最彷徨的时候给了我鼓励和安慰，为我 指明了方向 本文是在我的导师吴晓波教授的悉心指导下完成的。在论文的完成过程中， 吴老师渊博的知识、风趣的性格给我留下了深刻的印象。吴老师以身作则，有时 候甚至凌晨一两点钟依旧在工作，他的态度感染了我，他的 - d 惯影响了我，他帮 我打开了一扇进入科研领域的大门，他的永远年轻的心态让我懂得如何在生活中 科研中工作中找到人生的乐趣。感谢吴老师不厌其烦的为我解答各种疑问，帮我 修改论文。除了知识上的教导外，吴老师在生活上也给了我众多的关心与帮助， 让我能够安心的完成我的学业。 感谢赵梦恋老师和张培勇老师。在读研期间两年多时间里，赵老师的乐观让 我懂得了如何应对压力，她的耐心、她的不知疲倦的工作则让我对自己的工作有 了更多的责任感。张老师在最近一年多的时间里从各个方面给了我众多的帮助。 他带领我们完成了整个项目，他教会了我在工作上遇到困难时的处理方法，他教 会了我数字后端的基本的流程，他教会了我众多系统管理的知识。 感谢葛海通博士在项目进行期间给我提供的各个方面的帮助，包括软件、硬 件等，让我顺利的完成了本文 感谢p a u l ，他给我的论文提供了最直接的帮助和指导他言传身教，把他多 年来关于s r a m 方面的知识和经验倾囊相授。他广博的见识让我更加明确了自 己以后的人生规划。在即将结束学生生涯，完全的踏入社会的时候，能够碰到如 此的一位良师益友无疑是人生中最大的幸事。 感谢项目组的张杰、黄雪维、潘虹、应琦刚、郑丹丹、吕东明、张鲁。我与 他们一起互相讨论，互相学习，最终完成了本文。虽然有时候我们会在项目上争 论的面红耳赤，但是这却更增加了我们的友谊。 感谢杨砀和孙亮在读研第一年期间给我的帮助。我们一起研究，一起工作， 群策群力，最终完成了我人生中第一块芯片的设计工作。 感谢实验室的易锋、严冬勤、徐建、张宏杰、陆佳颖、杨永良等，从2 0 0 7 年进入研究所以来，我们一起学习，一起工作，互相帮助，大家形成了深厚的友 谊。大家或者继续学习或者即将踏上工作岗位，不论怎么样，大家的友谊不会改 变。 感谢研究所的其它老师和同学，他们在很多方面给了我帮助，从而让我顺利 的完成研究生的学业。 i l 张强 2 0 1 0 1 于求是园 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 计算机与存储器 自从1 9 4 6 年2 月1 5 日第一台计算机e n i a c 在美国诞生以来，数据存储就 成为了广大计算机设计者们一直考虑的问题。随着时间的推移，数据存储在计算 机中的重要性越来越大。最初的e n i a c 是非存储程序式的计算机，只有 r o m ( r e a do n l ym e m o r y ) ，没有r a m ( r a n d o ma c c e s sm e m o r y ) ，这极大的制约了它 的运算速度。世界上第一台存储程序式的计算机，m a n c h e s t e rs m a l l s c a l e e x p e r i m e n t a lm a c h i n e ( s s e m ) 【l 】，昵称为b a b y ，于1 9 4 8 年6 月2 1e t 出现，它由 f r e d e r i cw i l l i a m s 和t o mk i l b u m 设计第一台商业计算机u n i v a ci 【2 】于1 9 5 1 年出现，它具有1 0 0 0 个字( w o r d ) 的主存储器，其中每个字包含1 2 个字节 ( c h a r a c t e r ) 。1 9 5 8 年，具有跨时代意义的第一块集成电路诞生【3 】，从而开创了一 直持续到今天的电子学的新时代。自从集成电路问世后，集成电路的研制热潮席 卷全世界，计算机及其存储器的发展进入了一个新的阶段。 图1 1 个人电脑存储器 现在个人电脑中使用的存储器如图1 1 所示，从上往下存储密度越来越大， 但是存取速度越来越低。如果按照单位容量的成本来算的话，则从下往上成本越 来越高。图中的缓存和内存一般是半导体存储器，而硬盘和磁带为磁介质存储器。 光盘并没有在图1 1 中出现，它的存储速度低于硬盘，且容量也小于硬盘，但是 由于其易于携带，因此满足了人们对于移动存储的需求。 除了传统意义上的个人电脑之外，半导体存储器另外一个重要的应用场合是 嵌入式系统。嵌入式系统是一个相对模糊的定义，从最早的2 0 世纪7 0 年代出现 大学磺学位论文 的单片机，到现在各种各样的嵌入武微处理器微控制罂，嵌八武系统已经有7 3 0 多年的发展。嵌入式系统在应用数量上远远超过了个人电脑，在制造业、过 程控制、网络通讯、仪表，仪器、汽车、船舶、航空、航无，军事装备、消费 类产品等方面部得到7 广泛的应用s o c 芯片是嵌入式系统的重要蛆成部分，它 把众多功能集成在单片芯片上，大大简化7 嵌入武磊统的设计s o c 技术最早起 辣于2 0 世纪9 0 年代中期。在当时，随着半导体技术的进步，在单一芯片上已经 可以实现一个复杂的电子系统，在这种情况下，系统级芯片( s o c ， s y s t e m - o n c h i p ) 技术应运而生s o c 技术符台技术和产业发展的趋势，现在已 经成为7 现代集成电路设计的主流技术。存储器是嵌 式系统中必不可少的一部 分，由于片上存储器具有片外存储器不可比拟的优势，如更高的带宽、更低的访 问延时和功耗、更高的可靠性等，因此随着嵌入式系统功能的增加，越来越多的 半导体存储器被集成在s o c 芯片上，据预测，到2 0 1 4 年，片上存储器将占芯片 面积的9 4 1 4 j ，如图12 所示。 1 2 存储器的分类 圈1 2 半导体存储墨在s o c 芯片中的比重i ” 半导体存储器可以分为易失性存储器与非易失性存储器两种，这种舟类的划 分依据是断电后存储器中的数据是否丢失，如果丢失就是易夹性存储器，反之就 是非易失性存储器个人电脑广迁使用易失性存储器和非易失性存储器，而s o c 烹=量黑芝口巴日ii 浙江大学硕士学位论文 芯片一般只使用易失性存储器，很少会有非易失性存储器出现。 1 2 1 非易失性存储器 历史上曾经出现但是已经退出历史舞台的非易性存储器( n o n v o l a t i l e m e m o r y , n v m ) p 1 有d r u mm e m o r y 、m a g n e t i cc o r em e m o r y 、p l a t e dw i r em e m o r y 、 b u b b l em e m o r y 、t w i s t o rm e m o r y ，现在市场上能够见到的非易失性存储器包括 p r o m 、e p r o m 、e e p r o m 、f l a s hm e m o r y 伴随着技术的进步，新的非易失性 存储器陆续出现，如f e r a m 、m r a m 、c b r a m 、p r a m 、s o n o s 、r r a m 、 r a c e t r a c km e m o r y 、n r a m 、m i l l i p e d e 等。非易失性存储器在个人电脑上最著名 的应用就是b i o s ( b a s i ci n p u t o u t p u ts y s t e m ) ；惑, 片，其中存储了加电自检程序、 c m o s 设置程序、系统自举装载程序、主要i o 设备的驱动程序和中断服务等。 1 2 2 易失性存储器 易失性存储器( v o l a t i l em e m o r y ) 1 6 包括d e l a yl i n em e m o r y 、s e l e c t r o nt u b e 、 w i l l i a m st u b e ，这三者已经退出历史舞台；新的非易失性存储器包括t - r a m 、 z r a m 、t t r a m ，但是这三种还没有大规模投入应用；现在市场上占据主导地 位并且广泛应用的是d r a m ( d y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ) 与s r a m ( s t a t i c r a n d o m a c c e s sm e m o r y ) 。d r a m 中的d 指在加电情况下，数据需要不断的刷新 才能保持不丢失，与之相对的是s r a m ，在不断电的情况下，其数据不需要刷新 就可以保持。d r a m 存储密度比较大，容量比较高，存取速度比较低，价格低 廉。与之相对，s r a m 存储密度比较小，容量比较低，存取速度比较高，价格高 昂。这也决定了二者的不同用处 1 9 6 6 年，i b m 公司的r o b e r td e n n a r d 博士发明了d r a m 7 1 ，并且于1 9 6 8 年 获得了美国专利授权。1 9 7 0 年l o 月，i n t e l 发布了第一块商用的d r a m 芯片， 之后d r a m 的发展进入了高速发展时期，各种d r a m 的变种相继出现【7 1 ，如 a s y n c h r o n o u sd r a m 、v i d e od r a m ( v r a m ) 、w i n d o wd r a m ( w r a m ) 、f a s t p a g em o d e ( f p m ) d r a m o rf p r a m 、e x t e n d e dd a t ao u t ( e d o ) d r a m 、b u r s t e d o ( b e d o ) d r a m 、m u l t i b a n kd r a m ( m d r a m ) 、s y n c h r o n o u sg r a p h i c sr a m ( s g r a m ) 、s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a m ( s d r a s o 、d i r e c tr a m b u sd r a m 浙江大学硕士学位论文 ( d r d r a m ) 、d o u b l ed a t ar a t e ( d d r ) s d r a m 、p s e u d o s t a t i cr a m ( p s r a m ) 、1 t d r a m 、r l d r a m 。d r a m 在个人电脑中主要用于内存，现在市场上个人电脑 使用的最新的内存是d d r 3 ，它是d d r 3s d r a m ( d o u b l e d a t a r a t et h r e e s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ) 的缩写，其速度远高于传统的 d r a m 。 与d r a m 不同，s r a m 在历史上的出现并没有一个确定的日期。s r a m 的 变种也远没有d r a m 那么多，但是其在个人电脑和s o c 芯片中的地位是其它存 储器无法取代的s r a m 主要用于搭建处理器的缓存( c a c h e ) ，而缓存大小正是 处理器性能的重要指标之一，其结构与大小对处理器速度的影响非常大由于处 理器的速度相对内存或者硬盘来说非常快，因此当处理器需要读取数据时，就要 等待内存把数据读出，这大大降低了处理器的工作效率缓存用来存储一些常用 或即将用到的数据或指令，当需要这些数据或指令的时候直接从缓存中读取，这 样比到内存甚至硬盘中读取要快得多，能够大幅度提升处理器的处理速度。根据 处理器读取顺序的不同，缓存可以分为一级缓存( l 1c a c h e ) ，二级缓存( l 2 c a c h e ) ，三级缓存( l 3c a c h e ) 。 2 0 世纪8 0 年代最流行的s r a m 存储单元是4 管2 电阻( 4 t 2 r ) 形式【8 1 ，它的 优点是存储密度比较高，缺点是其电阻负载过大，读取裕量较小 9 1 。到2 0 世纪 9 0 年代后期，由于良好的器件和电压比例缩小特性，6 管( 6 t ) c m o s 存储单元 最终取代了4 t 2 r 存储单元占据了市场的主流地位。进入2 1 世纪后，超过i g h z 的高速嵌入式处理器开始在市场上出现，应用于其中作为缓存的高速低功耗 s r a m 成为新的研究热点。这段时间中，超低电压的s r a m 和抗阈值电压波动 的s r a m 成为新的发展趋势。 按照与时钟信号的同步来划分，s r a m 可以分为异步s r a m 和同步s r a m 。 异步s r a m 中没有外接时钟控制信号，一旦地址信号到达就开始译码，译码完 成后进行读出或者写入操作；与此相反，同步s r a m 的译码操作和读写操作都 在外按时钟信号的控制下进行从端口数量来划分，s r a m 可以分为单端口 s r a m 和双端口s r a m 。单端口s r a m 的读写操作不能同时进行，只能交替进 行；双端1 3s r a m 可以同时进行读写操作。本文主要研究单端口同步s r a m ， 这种s r a m 也是需求量最大的s r a m 。 4 浙江大学硕士学位论文 1 3 先进半导体制造工艺带来的挑战 根据鼎鼎大名的摩尔定律，集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔1 8 个月就翻一番。摩尔定律所阐述的趋势一直延续至今，且仍然非常地准确。这种 趋势不只适用于存储器芯片，也同样适用于处理器和磁盘驱动器，因此该定律成 为许多工业对于性能预测的基础。 c m o s 技术是现代集成电路的主流技术。伴随着半导体加工技术的进步， c m o s 器件尺寸不断减小，从而大大提高了器件的集成度和电路的速度，降低了 成本。但是伴随着器件尺寸的减小，一些新的问题慢慢出现，这些新的问题给电 路设计带来了新的挑战。第一，电路的漏电流增加。这主要包括两个方面，一是 沟道变短，阈值电压降低，亚阈值漏电流增加；二是门绝缘层变薄，栅氧化层隧 穿电流增加。漏电流的增加使得逻辑电路的静态功耗大幅度增加，并逐渐的超过 了动态功耗。第二，当器件尺寸缩小后，电路设计中必须要考虑阻容迟滞i 犯d e l a y 而引起的信号传播延迟、线间干扰以及功率耗散等问题。第三，器件尺寸缩小， 随机掺杂波动( r a n d o md o p a n tf l u c t u a t i o n s ) 愈加严重，导致阈值电压的波动越来 越大在电路设计中必须考虑这种波动，增加设计裕量。 现在业界最先进的工艺是i b m 、a m d 、飞思卡尔三个公司在2 0 0 8 年1 2 月 i5 i7 日举办的2 0 0 8i e e ei n t e r n a t i o n a le l e c t r o nd e v i c e sm e e t i n g ( i e d m2 0 0 8 ) 上展示的2 2 n m 工艺。在本次大会上，这三家公司宣布已经制作出了基于传统6 t 结构的2 2 n m 的s r a m 。但是现在主流市场的处理器采用的是4 5 n m 工艺。由于 新工艺的高昂的成本，现在唯有c p u 采用了4 5 n m 工艺，其它消费电子产品依 旧广泛使用6 5 n m 或者更老的工艺，这种现像在国内尤其明显。因此研究6 5 n m 工艺下s r a m 的设计具有极其重要的现实意义 1 4 研究内容与创新点 本文将对6 5 n m 工艺下s r a m 的设计展开研究，主要研究重点在时钟电路、 多路选择器及译码电路。全文研究内容和创新点如下： 第一，分析研究了s r a m 的多路选择架构。s r a m 多路选择架构分为一级 架构和二级架构，这两种架构又各自有其单边及双边结构实现方式。从理论上分 5 浙江大学硕士学位论文 析了s r a m 多路选择架构中一级架构和二级架构及其相应单边结构和双边结构 的性能，指出随着灵敏放大器特征数字n 的增加，二级架构的性能相对于一级 架构的优势越来越明显；二级架构的最优结构出现在其两级译码的两个特征数字 相近时。一级单边结构会随着n 的增加而逐渐超越一级双边结构，但是二级单 边结构的性能在可以接受的n 值范围内一直不如二级双边结构。 第二，分析研究了s r a m 的时钟电路。现在主流的s r a m 时钟电路都由两 种放电电路构建，从概率学角度分析比较了这两种放电电路的性能，并通过 1 0 0 ，0 0 0 次蒙特卡罗的仿真证明了分析结果。最终选用了较优的一种构建了时钟 电路。这个时钟电路很好的实现了s r a m 各部分的协同工作，并且有在流片后 调节s r a m 性能的功能。 第三，分析研究了s r a m 的译码电路。指出了译码电路设计中要考虑的众 多因素，说明了减少功耗、增加存取速度的译码电路的设计方法说明了l o g i c a l e f f o r t 理论在译码电路设计中的应用。为非对称逻辑门建立了电路模型，分析了 其优势，指出了其在译码电路中的作用。 6 浙江大学硕七学位论文 2s r a m 操作简介 2 1s r a m 概述 单端口同步s r a m 的输入输出信号如图2 1 所示。其中输入信号包括地址信 号a 、时钟信号c l k 、片选信号c e n 、读写切换信号w e n 、数据输入信号d ， 输出信号包括数据输出q 。 a c l k c e n w e n d s r a m 图2 1 单端口同步s r a m 输入输出信号 q a q 列 地 址 信 a s 号 图2 2s r a m 框图 s r a m 主要是由存储单元、行译码、列译码、时钟电路、灵敏放大器，位线 7 浙江大学硕士学位论文 多路选择器等构成，如图2 2 所示。其中存储单元用于存储数据，每个存储单元 可以存放一位二进制数据。存储单元通常规整的排列成一定尺寸的阵列，如 6 4 x 8 ，即每列有6 4 个存储单元，共8 列。行译码，列译码和位线多路选择器用 于在读或写的时候定位某一存储单元。写电路用于把输入的数据在时钟信号的控 制下转换成差分的形式。灵敏放大器用于把存储单元读出的信号电压放大，加速 读的过程。时钟电路用于整体控制s r a m 的读写操作。 2 2s r a m 数据保持操作 作为存储器，s r a m 最重要的功能是数据的存储。为了实现存储功能，s r a m 支持三种基本操作：数据保持，数据写入，数据读出。 数据保持操作是s r a m 最基本的操作，同时也是最简单的操作。所谓数据 保持就是当s r a m 在不进行读写操作的时候能够保持其存储的数据稳定，要尽 量避免数据丢失现象的出现。为了实现数据保持功能，最重要的是设计良好的存 储单元。数据保持功能不会对s r a m 的存取速度产生影响，它只会对s r a m 的 稳定性产生影响。在数据保持期间，s r a m 的译码电路、时钟电路等附加电路是 不工作的 好的s r a m 设计会通过降低存储单元的供电电压等方法减少数据保存时的 漏电流，降低系统功耗。但是，如果供电电压降低过多，那么存储单元里面的存 储的数据将会发生翻转，引起数据保持失效1 0 】。除了供电电压的降低会引起数 据保持失效外，各种噪声也可能造成保持失效。s r a m 的噪声【l i 】包括片内噪声 和片外噪声。其中片内噪声包括交叉耦合噪声、热噪声、电源噪声等，片外噪声 包括电噪声、磁噪声、电磁耦合噪声以及放射性噪声。其中对于放射性噪声的研 究及预防已经成为了一个新的热点。地球外太空的宇宙放射性粒子的强度远远高 于地球表面几个数量级，而人们对于外太空的渴望造就了人类航空事业的发展， 因此众多的存储器被广泛用于各种航空设备。除此之外，有许多的军用和商用的 计算机也需要在强射线情况下工作因此，用于这种场合的s r a m 必须增加其 对放射性噪声的抵抗能力。 3 浙江大学硕士学位论文 2 3s r a m 写操作 s r a m 写操作就是把已知的数据写入指定的s r a m 存储单元。写操作主要 分为两个阶段。第一个阶段是译码。地址信号要在c l k 信号到来之前到来，一 旦地址信号有效，系统开始译码。当c l k 信号到来后，c l k 信号控制译码电路 完成最后的译码。译码结束后，行译码电路产生w l 信号，打开s r a m 存储单 元；列译码信号产生c s 信号，通过位线多路选择器选中某一列存储单元；数据 d 经过写电路变成差分的数据d i n 与d i n ，此数据传递到位线b l 与b l 一上，第 二个阶段开始。第二个阶段中数据通过位线b l 与b l _ 写进存储单元。写操作的 波形如图2 3 所示。 i 荠夏 荠主； c l k a d d r c s t 厂 w l ；广 ； w l i iu 翻战n l 剩： b 域b l - x 盛墨醯二二二 lii 图2 3 写操作波形 s r a m 的写操作速度一般比读操作快，不会成为系统的瓶颈。现代s r a m 设计中在写操作上比较注重功耗方面的设计为了降低功耗，通常会减小数据线 的电压摆幅，这样会带来写速度的下降，但是只要写操作的速度不低于读操作的 诛度，写操作就不会成为系统的瓶颈。 9 浙江大学硕士学位论文 2 4s r a m 读操作 s r a m 读操作就是把s r a m 阵列中指定单元存储的数据读取出来。读操作 分为三个阶段。第一个阶段是译码，这包括行译码和列译码。在此阶段，位线 b l 与b l 及数据线d l 与d l 披预充电到v d d 译码结束后，存储单元打开， 位线b l 与b l 上有电压差出现，第二个阶段，也即放电阶段开始。位线多路选 择器把位线的电压差传递到d l 与d l 上。当d l 和d l 的电压差d l 达到设 计值v 时，第三个阶段即放大输出阶段开始。此时时钟电路触发，产生s e 信 号，连接在d l 和d l 末端的灵敏放大器s a 被激活，d l 和d l 电压差a d l 被 放大，存储单元中的二进制数据输出。整个读操作的波形如图2 4 所示数据读 出操作是s r a m 操作中最慢的。为了提高s r a m 的速度，要尽量提高读操作的 速度，减少译码时间和读取时间。另外，读操作的功耗占据s r a m 功耗的很大 一部分，在不影响速度的前提下，应该尽量减少读出功耗。 i 蓠夏；薯主 薯主 c l k ：一1 一 l 乞；ii i a d d r c s 1：厂r i il i 睁z b l & b d l & d 十寸p 中一 i l i u i s e ：厂 ： iii i q i i i l l o 浙江大学硕士学位论文 3s r a m 存储单元 3 14 t 2 r 存储单元 4 t 2 r 存储单元是2 0 世纪8 0 年代最流行的s r a m 存储单元，如图3 1 所示。 这里的“r 指的是“t r