（电路与系统专业论文）深亚微米工艺下的memory建库技术研究.pdf

漾亚辙米i 艺黝m e m o r y 建车技术研究 摘要 随着超大规模集成电路技术的飞速发展，集成电路技术更新换代的周期越 来越短，设计工具的自动化称度也越来越高，而建库技术即成为设计自动化的基 础。存储器的高速发展使得其在集成电路设计中举足轻重，其逻辑参数库的提取 亦不可或缺，这就使得建库工作者快速提取存储器的逻辑参数成为必要。为了精 确而快速地提取存储器逻辑参数，我们迫切需要自动化的软件，尽量减少建库过 程中人为的影响因素，从而能够自动而快速地完成存储器的逻辑参数提取和建库 工作。 然而，由于存储器单元密集和电路庞大的特点，并且存储器的增大极为迅 速，使得用仿真工具直接提取逻辑参数并不现实，存储船的简化迫在眉睫。目前 的参数提取测试电路由于和实际电路差别较大，也不能够精确地提取参数。而同 时，目前逻辑参数库的更新工作大都是半自动的，需要人为地设计用于提取各种 逻辑参数的单元电路的仿真激励波形，不但需要大量的人力物力，耗费大量的时 间，而且容易引入人为的误差或错误，从而影响了逻辑参数库的质量。 针对以上问题，本文在研究已有建库技术的基础上，针对存储器的逻辑参 数提取提出新的解决方案。参数提取前，在库参数精度受影响可忽略的前提下， 对存储器先进行电路简化，使得存储器的提取自动化得以实现。同时，本文提出 电压控制电压源的输入信号控制法，精确地反映了实际工作的情况。本文自动生 成正确而又简练完备的激励波形，加快了参数提取的速度。 关键字：建库，参数提取，存储器，电路简化，电压控制电压源，激励波形 坚! ! 竺竺! 竺生! ! ：! 型生! ! ! 型! 鲨型! ：型型型! 竺型 a b s t r a c t w i t hf a s t d e v e l o p i n g o fu l t r a l a r g e s c a l e - i n t e g r a t e d c i r c u i t s t e c h n o l o g y i t s u p d a t ec y c l ei s s h c r t e ra n ds h o r t e r t h el i b r a r yb u i l d i n gt e c h n o l o g yh a sb e c a m et h e b a s i co fd e s i g na u t o m a t i o ns i n c et h ea u t o m a t i o no fd e s i g nt o o l si sm o r ea n dm o r e a d v a n c e d t h ef a s tg r o w i n go fm e m o r ym a k ei tq u i t ei m p o r t a n tf o ri cd e s i g n s o q u i c kp a r a m e t e r e x t r a c t i o ni si n d i s p e n s a b l ef o rm e m o r y i no r d e rt oe x t r a c tt h el o g i c p a r a m e t e ro fm e m o r yq u i c k l ya n da c c u r a t e l y , w en e e da u t o m a t i ct o o l st og oo nt h e p a r a m e t e re x t r a c t i o na n dl i b r a r yb u i l d i n gs o a st or e d u c et h em a l l - m a d ei n f l u e n c e d u r i n gt h el i b r a r yb u i l d i n gp r o c e s s h o w e v e r , s i n c em e m o r yc i r c u i ti sv e r yl a r g ea n dd e n s ea n dt h eg r o w i n go f i t s s i z ei sa m a z i n g ，i ti su n p r a c t i c a lt oe x t r a c tt h el o g i cp a r a m e t e rd i r e c t l yw i t hs i m u l a t i o n t c l o l s s oi t sn e c e s s a r yf o ru st or e d u c et h em e m o r yc i r c u i t s t h ec u r r e n tc i r c u i tu n d e r t e s tf o rp a r a m e t e re x t r a c t i o ni sd i f f e r e n tf r o mt l l e a c t u a lo n e ，s ot h ep a r a m e t e r e x t r a c t i o ni sf a rf r o ma c c u r a t ee n o u g h n o w a d a y s ，m o s to ft h e w o r ko fl i b r a r y b u i l d i n gi ss e m i a u t o m a t i ca n ds om u c h m a n u a lw o r ki sg o ti np r o d u c i n gs t i m u l i ，t h e 9 a r a m e t e re x t r a c t i o ni st i m e c o n s u m i n g , a n di t w i l la l s oi n t r o d u c ee r r o ro rm i s t a k e f r e q u e n t l y f a c e dw i t ht h e s ep r o b l e m s ，t h i sp a p e rp r e s e n t sn e wm e t h o d sf o rp a r a m e t e r e x t r a c t i o no fm e m o r yo nt h eb a s eo f c u r r e n tr e s e a r c ha b o u t l i b r a r yb u i l d i n g t e c h n o l o g y o nt h ep r e c o n d i t i o nt 1 a tt h ee r r o ri sa c c e p t a b l e ，w er e d u c et h em e m o r y c i r c u i tb e f o r ew ed ot h e l o g i cp a r a m e t e r e x t r a c t i o ns oa st or e a l i z e e x t r a c t i o n a u t o m a t i o n a t t h es a m e t i m e ，v c v s ( v o l t a g e - c o n t r o l l e d v o l t a g e - s o u r c e ) i s d r e s e n t e di nt h i sp a p e rt or e f l e c tt h ea c t u a l s i t u a t i o ne x a c t l y t h ei n p u ts t i m u l ii s p r o d u c e da c c u r a t e l y ，c o m p l e t e l ya n da u t o m a t i c a l l y , s ot h a t t h ep a r a m e t e re x t r a c t i o n1 s m o r ef a s t ， k e yw o r d s ：l i b r a r yb u i l d i n g ，p a r a m e t e r e x t r a c t i o n ，m e m o r y ，c i r c u i tr e d u c t i o n ， v c v s ，s t i m u l iw a v e f o r m 第一帝纠等+ 1 1 集成电路发展状况 第一章引言 微电子技术是目前蓬勃发展的高新技术之一。作为信息技术的基础，它推 动着计算机、通讯和消费电子产品的不断更新换代。在过去几十年中，以半导体 为代表的电子科学技术的蓬勃发展将世界带进了信息时代，彻底改变了人类的生 活方式和思维模式。如今，微电子产业的科学技术水平和发展规模已成为衡量一 个国家综合实力的重要标志之一。而集成电路产业则是微电子产业的基础、粮食、 龙头与核心。人类己进入了以信息网络为核心的“新经济”时代。而以计算机和 通讯为依托的“网络”，其生存和每一步发展都离不开集成电路芯片技术的支持 与更新。j 人类带着信息时代的特征跨入2 l 世纪，在强劲的市场推动下，特大规模集 成电路( u l s i ) 技术的发展一直遵循着摩尔定律“1 ，即集成电路( i c ，i n t e g r a t e d c i r c u i t ) 的集成度( 每个微电子芯片上集成的器件数) ，每3 年左右为一代，每 代翻两番。对应于i c 制作工艺中的特征线宽则每代缩小3 0 。根据等比例缩小 原理( s c a l i n gd o w np r i n c i p l e ) ，特征线条越窄，i c 的工作速度越快，单元功 能消耗的功率越低。所以，i c 的每一代发展不仅使集成度提高，同时也使其性 能( 速度、功耗、可靠性等) 大大改善。 为满足高速移动通信、宽带数据传输的需求和信息家电、多媒体系统智能 处理的需求，高频i c 和系统级芯片技术正在迅速发展，在整个微电子集成电路 技术领域，包括集成器件新结构、芯片微加工技术、集成电路设计技术、测试及 封装技术等各个方面每年都有大量的创新成果出现，推动着集成电路技术和产业 的迅猛发展。 当前集成电路发展有两个方向，一是依靠加工特征线宽的不断缩小使集成 密度和速度不断提高，功耗不断降低，以制作出功能更强、性能更好、用途更广 的i c 芯片；二是朝系统芯片( s o c ，s y s t e mo nc h i p ) “1 的方向发展。以软硬件 协同设计( s o f t w a r e h a r d w a r ec o d e s i g n ) 、具有知识产权的内核( i p ， i n t e l le c t u a l p r o p e r t y ) 复用( r e u s e ) 。”和超深亚微米( v d s m ，v e r yd e e p s u b m i c r o n ) 技术“1 为主要支撑的s o c 是国际超大规模集成电路的发展趋势和 颦一章0 | 素 新世纪集成电路的主流。 随着c m o s 超大规模集成电路技术进入了超深亚微米时代，系统集成芯片将 成为超大规模集成电路的主流产品，从总体而言，国际上超大规模集成电路设计 技术遇到了严峻的挑战，在全球范围内出现了设计技术滞后于工艺水平，设计工 具的开发滞后于设计能力的发展的现象。这就给i c 设计者提出了更高的要求， 提高设计水平满足飞速反展的半导体工艺水平，同时也给我们带来了在集成电路 计算机辅助设计( i c c a d ) 领域实现技术跨越的机遇。 1 2 ip 单元库的设计和开发”1 微电子技术是把电子元器件以及由它们组成的电子设备和系统微型化、集 成化的技术，其核心是集成电路技术。集成电路工艺技术不断迅速发展，制造工 艺向深亚微米和超深亚微米迈进，使微电子工艺技术完全有能力将信息采集、加 工运算、存贮和随动执行这样的超大规模信息系统集成并固化在芯片上，形成微 系统芯片，即s o c ( s y s t e m0 nc h i p ) 。系统级芯片的规模越来越大，其设计越来 越复杂。嵌入式i p 核的复用技术是微系统芯片的关键设计技术，尽可能使用己 验证的可重复使用的i p 库，是缩短设计周期，保证设计一次成功，降低系统级 芯片成本的关键。因此超大规模集成电路i p 核的开发己成为s o c 芯片研制的首 要任务，人们迫切需要设计、实现大量的可复用的预设计、预验证的i p 核库，以 供系统集成电路设计人员选用，从而有效地缩短产品进因此i p 核的性能与可靠 性将是至关重要的基石，具有举足轻重的地位。没有性能稳定可靠的i p 核单元 库，将不可能有可靠的整机系统。 集成电路设计单元库是集成电路设计所需单元符合库、单元电路结构库、 版图库、电路性能参数库、功能描述库、设计规则和器件模型参数库的总称。在 集成电路设计中，单元库处于十分重要的基础地位。在自顶向下设计方法中，从 系统行为描述、逻辑综合、逻辑功能模拟，到时序分析、验证，直至版图设计中 的自动布局、布线，都必须有一个内容丰富、功能完整的单元库的支持。另一方 面，在自底向上的设计流程中，则是从单元库中个个具体单元丌始，逐步构成 各级功能模块，直至整个系统。 第一章；l 富 在集成电路规模比较大时，要求预先设计好标准单元库，并建立综合库和 参数库以备在逻辑综合和逻辑模拟时用。由于单元库的建设要求模型精确，运 算复杂，是i c 设计中的基础工作。在深亚微米工艺条件下参数的精确要求更高， 如何能很快地建立深亚微米工艺下的单元库，提取准确的单元库参数是i c 设计 人员所必须解决的第一步。建立单元库的第一步是要确定单元库所包含的单元 种类和每个单元的电路，并且获得欲加工厂家的工艺参数、设计规则及模型参 数。依据工艺参数和设计规则完成单元电路的版图设计。确定电路的应用温度 范围和电源电压，然后就可以进行参数提取。在单元库参数的提取中有3 种方 案可供选择，一种是按线性参数提取，它比较容易获得，在深亚微米工艺下性 能与实际情况匹配不是太好：一种是分段线性参数提取，性能和提取难度适中； 另一种是按非线性参数提取，非线性参数与实际性能最接近，效果最好，但是 l 提取时比较复杂。 1 对于种单元库，人们总是非常关心这中间单元的一些参数，如单元延迟 参数、扇出延迟特性、线延迟参数、最高振荡频率、输出压点驱动电流等等，因 为只有清楚地知道了这些单元参数及特性之后，在利用这些库设计电路时才能做 到心中有数。 用c a d 软件从库单元的电路结构或版图提取库单元的电路联接文件，根据 器件模型参数库文件对电路的元器件建立数学模型，利用计算机辅助电路分析 软件( 如h s p i c e ，s p e c t r e ) 就可以获得库单元的电路性能参数，这就是库单元 电路性能参数的提取。库单元的电路性能参数受工艺条件( 电路器件模型参数) 、 负载、电源、环境温度和测试波形的影响，故提取参数的工作量较大。尤其当 器件的特征尺寸为亚微米级时，因为器件特性表现出明显的不连续性，电路性 能参数不能简单地按比例缩小或采用线性拟合，提取参数的工作量十分巨大。 为适应a s i c 设计周期的要求，迫切需要实现电路参数提取的自动化。我们在建 立亚微米单元库的过程中，研究、开发了一套自动提取单元库电路性能参数的 技术。该应用技术经过几次建库工作使用，不仅大大地提高了效率、缩短了设 计周期，而且其本身的功能和应用范围也得以完善、扩大。 i p 标准单元库的设计面临着新的挑战。首先，由于芯片集成度越来越大， 功耗成为设计中需要着重考虑的因素之一：其次，从成本考虑，芯片的面积利 第一章0 t 言 用率需要进一步优化：其三，由于系统级芯片的工作频率越来越高，从而对芯 片的速度提出了更高的要求。目前，许多e d a 厂商推出了针对深亚微米技术带 来的问题的解决方案与工具，但从现有的设计流程来说，对i p 标准单元库进行 针对深亚微米技术的优化仍是一个最关键的步骤。然而出于成本的考虑，通常 在一个i p 标准单元库中很难同时面向高速、低功耗、面积进行优化。 随着超大规模集成电路技术的飞速发展，集成电路技术更新换代的周期越 来越短。用于支持集成电路设计的各种单元电路的逻辑参数库也会随之不断发生 变化，这就要求建库工作者必须对各种单元电路快速提取其逻辑参数，以满足集 成电路设计工作的迫切要求。然而，目前逻辑参数库的更新工作大都是半自动的， 需要人为地设计用于提取各种逻辑参数的单元电路的s p i c e 激励波形，不但需要 大量的人力物力，花费较多的时间，而且容易引入人为的误差或错误，从而直接 i 影响生成的逻辑参数库的准确性。因此，建库工作者迫切需要这样一稍自动化的 软件一一能够自动地完成单元电路的逻辑参数提取和建库工作，使得这项工作中 人为干预尽可能地减少。从而使建库工作者能够快速准确地生成单元电路的逻辑 参数库。 1 3e d a 软件发展的新要求 设计工具自动化程度的提高，把工程师从繁重的版图工作中解放出来。而 上述所有设计自动化的基础和必要条件就是建库技术。没有一套好的库，就无法 完成自顶向下设计的自动化。 近年来，随着电子技术及集成电路技术的发展，相应地出现了众多的e d a 应用软件，在这些软件中国内应用较多的有m e n t o r ，c a d e n c e 等，进入中国集成 电路设计市场的m e r c u r y ”“1 的e d a 软件以其独特的功能迅速被用户所接受。利 用m e r c u r y 软件进行参数提取首先是完成其工艺及提取文件的编写。这一步相对 于一种工艺只要采用一个工艺接口文件描述即可完成；然后对每个特定的宏单元 画好符合设计规则的版图进行版图参数的提取，根据工艺要求正确提取出版图有 关的各s p i c e 模拟物理参数。写好该宏单元所要模拟的波形文件，以及相应的原 始模型描述文件。最后利用a u t o s p i c e 应用软件进行逻辑参数的提取。利用转换 工具把所提参数文件转换成软件所能接收的库文件以便以后调用。这是一个完整 第一章；| 寓 的建立逻辑参数库的过程。 m e n t o rg r a p h i c 公司的c e l l b u i d e r 是一种完成标准单元库( s t a n d a r d c e l ll i b r a r y ) 的参数提取的软件包，它支持深亚微米工艺技术，可以完成非线 性参数的提取。c e l l b u i l d e r 提供的模型支持有a m pt e c h n o l o g yc o m p i l e r ， a u t o o g i ci i ，e 1 d o ，f l e xt e s t ，g e n i e ，h s p i c e ，l s i mq u i c k p a r tc o m p i l e r ( o p t ) ，s d f ，s y n o p s y sl i b r a r yc o m p i l e r ，t i m i n gb u i l d e r ，v i t a l 等。 目前，国内部分高校也展开了对建库工作的研究，他们的大部分工作主要 集中在如何使用e d a 软件建立逻辑参数库，比如采用m e r c u r yl i b r a r y d e v e l o p m e n tt o o l s 开发1 2 pmc m o s 门阵宏单元库。整个建库工作，要大量的 人工干涉，容易在建库工作中，导致错误。国外一些公司也在这方面展开了研究 和开发，并且推出了一些产品，比如c a d e n c e 公司的a c c ( t h ea u t o m a t i cc e l l c h a r a c t e r i z a t i o ns y s t e m ) ， a v a n t ! 的s t a r m t b ，s 1 i c o n s m a r tc r 等。但这 些产品都存一些问题，比如对单元逻辑参数空间描述不准确，对单元负载能力测 试不准，单元最小信号输入s l o p e 不准确等问题。而且这些工具运行时间非常长， 往往需要3 “5 周，不能及时满足用户的要求。 1 4 本课题研究工作 1 4 1 研究意义 目前半导体存储器迅猛发展，今后存储器技术和市场也将继续发展和繁荣。 因此在i p 单元库的发展中，半导体存储器的参数库提取也势在必行。 在此，不妨对电路设计中的“硬错误”与“软错误”作些技术性的分析如 下：我们知道，随着集成电路设计工艺水平的不断提高，当i c 系统越来越复杂 时，将会产生“软错误( s o f te r r o r ) ”问题，它是严重影响电路的性能及可靠 性的关键问题，特别是对于存储器的设计。如图1 所示，“硬错误( h a r de r r o r ) ” 将引起电路功能的“硬失败”，在引脚上能较容易在检测到。但由竞争、冒险等 原因引起的“软错误”则是隐含在内部的问题，往往很难检测与调试。我们正 在完成的此系统将在此一点上发挥很大的作用，将在初期就通过穷举的办法作 彻底的检查并找出电路的正常与非正常的临界点。 第一章0 | ； 图1 1 硬错误与软错误 显然，软错误是必须要避免的，它对于电路的损害主要，体现在两个方面：低性能 和低可靠性； 很长的访问时间就意味着很低的速度( 当电路工作在很低的频率时，软错 误可能并不出现) ，低的可靠性则最终导致了产出率的下降。 一般而言，有以下几种典型的情况会引起“软错误”，分别如图2 ，图3 和 图4 所示： 1 多条路径间的竞争 图1 2多条路径间的竞争 第一牵引害 2 建立时间太短 工a r c hc i r c u i t t f s e t u pt i t t l ei st o os h o r t , i tc o u l dc a u s el e n g t h y u n s e t t l e ds t a t e si ni n t e r n a ln o d e so fl a t c h e s 图1 3建立时间太短 3 保持时问太短 i fh o l dt i m ei st o os h o r t ，i tc o u l dc a u s eg l i t c h e s i ni n t e m a ln o d e so fl a t ：c h e s 图1 4保持时间太短 对于以上的情况，如果我们在电路设计时即行测得其建立时间及保持时间的最小 容限，在功能上对各种情况作预演并模拟实际的工作环境作仿真，应该是很 有效的一种方法。这也正是本项目的意义所在。 对于a s i c 设计而言，不断建立新的版图库( i p 硬核) 就能将以后的设计建 立在较高的层次上，才能较快地完成设计，保证设计的成功，性能优良且可靠。 第一牵委音 但在i p l i b 的设计中，在超深亚微米工艺条件下，将会产生很多如上所示的原 本没有的问题，尤其是对时序及互连的分析、验证与自测试方面，其逻辑参数库 的建立、参数的提取与可实用的建模工作也将会随工艺的变化而产生很大的差 异，所以这项工作往往需要投入极大的人力与物力，而且也需要很长的时间周期， 这势必要影响产品的及时更新与升级。此外，由人工建立i p l i b r 逻辑参数库 极易引入人为的误差或错误。所以研究利用计算机进行自动的i p l i b 功能验证， 逻辑特征提取与时序分析，自动进行i p 库的模型生成与自测试技术，从而建成 高性能的i p 库或单元库，这将是在超深亚微米工艺条件下a s i ci p 建库中不可 或缺的一环，具有重要的意义，其研究工作的开展已是势在必行。 1 4 2 研究内容 本项目做成了一个逻辑参数自动提取的工具，名为n a n o l i b ，包括s t a n d c e l l 和m e m o r y 的逻辑参数自动提取部分。本毕业设计的研究内容包括： 1 测试电路构造，采用在测试单元每个输入端之前加一个b u f f e r ，b u f f e r 的输 出端不和测试单元的输入端直接联结，而是在测试单元输入端前接一个受 b u f f e r 输出端电压控制的电压源。这种方法产生了高仿真的输入信号驱动， 使输入信号和实际电路中的波形非常一致，提高了参数提取的精度。 2 激励波形产生，引入组合逻辑电路和时序逻辑电路的逻辑参数提取模拟激励 波形自动生成算法。针对一定的参数产生相应的激励组合，而不是遍历或是 随机激励产生。 3 通过晶体管模型原理来简化m e m o r y ，参考了各种晶体管模型和其电容模型。 为使m e m o r y 能够在参数提取可以接受的误差范围之类，把m e m o r y 简化到仿 真器可以仿真的大小范围，以有效地提取m e m o r y 的参数。 4 为了提高库参数质量，在提取参数时，动态地计算单元在各状态下的最大、 最小输出负载，输入信号最大、最小s l e w ，能够有效地定位单元的提取区间， 使得参数提取更为直接和精确。为了提高逻辑参数表的质量，使表中的参数 值最大程度地表征单元的参数曲面，本项目一方面依据一些经验公式，把参 数测试点合理地安排在单元的工作区间，另一方面，在建库时尽可能多地安 排参数测试点，然后选择理想的点构成参数表。 第二章m e m o r y 概况及分类 2 1 m e m o r y 概况 第二章m e m o r y 概况及分类 2 1 1 半导体存储器的主要指标和类型“1 当今电子设计中硅片面积的大部分用以存储数据值和程序指令。在如今的 高性能微处理器中有一半以上的晶体管用在了存储器上，而其比例在不远的将来 预计还将上升，尤其在是系统级电路设计中尤为迅猛。高性能的工作站和个人计 算机包括6 4 m b y t e s 以上的半导体存储器，而且存储器的大小仍然在增加。显然， 在系统设计或数字电路设计中，密集的数据存储电路是设计的核心之一。m o s 存 储器是v l s i 的典型代表产品，发展异常迅猛，产品不断更新。特别是d r a m 的发 展更为迅速，集成度以每3 年4 倍的速度增长。为了提高存储器芯片集成度和产 品性能，从器件结构、电路设计到制造工艺等方面都在不断改进。而m e m o r y 的 参数库提取能跟上其发展也成为必要。 半导体存储器有很多不同的形式和风格。存储器单元的种类根据功能、所 要求存储器的大小、用以获得所需存储数据的时间、获取数据的模式和系统要求 而不同。根据数据提取的层次的不同，存储器单元的太小可以用很多不同的方法 来表述。电路设计者( c i r c u i td e s i g n e r ) 倾向于用b i t s 来定义存储器的大小， 相当于用以存储数据的单个c e l l ( 如f l i p f l o p 或r e g i s t e r ) 的数目。而芯片 设计者( c h i pd e s i g n e r ) 用b y t e s ( 8 或9 个b i t s ) 或它的倍数来表述存储器 的大小，比如k b y t e ，m b y t e ，g b y t e ，t b y t e 等。系统设计者( s y s t e md e s i g n e r ) 更愿意用w o r d s 来表述存储要求，它代表基本的计算实体，比如在处理3 2 一b i t 数据的计算机中3 2 b i t s 就代表一个w o r d 。 半导体存储器在存储器的功能、读写模式、存储机制的基础上可分为很多 种。首先它可分为只读存储器( r e a d - o n l ym e m o r y o rr o m ) 和读写存储器 ( r e a d w r i t em e m o r yo rr w m ) 。读写存储器既能写又能读，因此更为灵活。数 据或者存储在f l i p - f l o p 上或者以电荷的形式存储在电容上，其存储单元分别称 为静态存储方式和动态存储方式。静态存储方式只要供电电压在就可以保留所存 储的数据，而动态存储方式却需要不断地刷新以补偿由于漏电所引起的电荷损 9 望三茎竺竺! 型鲨壁 失。由于当供电电压取消时其所存储的数据就回丢失，所以动态存储方式的存储 器也称为可挥发性存储器( v o l a t i l em e m o r y ) ，反之称为不可挥发性存储器 ( n o n v o l a t il em e m o r y ) 。 m o s 存储器最主要的产品是随机存储器( r a m ) 和只读存储器( r o m ) 。r a m 又分为两类：一类是动态随机存取存储器( d r a m ) ，它是靠电容存储信息，即动 态存储方式，单元面积小易于提高集成度。由于d r a m 集成度高，功耗低，适于 做计算机的内存。d r a m 的主要缺点是信息不能长期保存，需要定期刷新。另一 类r a m 是静态随机存取存储器( s r a m ) ，它是靠双稳态电路存储信息，是静态存 储方式，只要不断电，信息可以一直保存，不需要刷新。s r a m 工作速度快，适 合于作高速缓冲存储器。s r a m 的缺点主要是单元面积大，集成度不如d r a m 容易 提高，s r a m 产品的集成度比d r a m 落后一代。另外s r a m 有较大的功耗。r o m 可以 i 分为两大类，一类角掩模编程r o m ，它所存储的固定逻辑信息，是由生产厂家通 过光刻掩模版来决定的，另一类是现场可编程r o m ( p r o g r a m m a 位线er e a d o n l y m e m o r y ) ，它又可细分为三类，p r o m ( 可编程r o m ) ，e p r o m ( 可擦除可编程r o m ) ， e e p r o m ( 电可擦除可编程r o m ，也可写作e 2 p r o m ) 。 r 】删n v 尉m mr o m r a n d o mn o f f r a n d o me p r o m m a s k p r o g r a m m e d a c c e s sa c c e s se e p r o m p r o g r a m m a b l e ( p r o i v i ) s r a mf i f 0f l a s h d r a ml i f 0 s 1 】i f 【r e g l s t 甘 c a m 图2 1存储器分类国 2 1 2 存储器的基本组成“1 1 一、m e m o r y 的结构 存储器的结构框图如图所示，它主要包括存储体( 单元阵列) 、地址译码器、 读写电路、灵敏读放电路。此外，为了是存储器各部分电路能按一定顺序动作， 需要时序控制电路对各部分电路进行时间控制。 第二章m e m o r y 概况授分类 行 掬肚岜址读，写电姆 图2 2存储器结构框图 存储体( 单元阵列) 存储矩阵又叫存储体，它是一个存储器的核心。因为存储体是把若干个存 储单元按行和列，或者说是按矩阵形式有序排列在一起的，故称为存储矩阵。数 据和指令就存放在这个矩阵内。存储矩阵中的每一行可存放一个字，而它的每一 列就对应于这些字的一个位。存储器的容量等于它的字数与位数之积，这个积数 表明它可存放二进制数码的个数。 地址译码器 为了能正确的写入或读出单元阵列中某一单元的信息，必须把存储单元编 上号码( 即给每个存储单元一个唯一的地址) ，通过地址来“寻找”存储单元。 能够实现地址选择的电路叫地址译码器。一个n 输入的译码器，可选择2 “个地 址，即可寻址的存储单元为2 “个。由于每个存储单元的电路形式是一样的，为 了节省芯片面积，它们在集成电路中总是排成上图中的阵列形式，此时，为了选 择某一个存储单元，需要有行地址和列地址译码器( 如图2 1 所示) 。 读写电路 为了提高单元的读出速度，减小传输延迟和功耗，必须减小存储单元1 与0 的电平摆幅。存储单元的状态0 或1 ，不能直接提供给外电路，必须经过读出放 大器的放大。有的存储器对写入信号有特殊要求，此时需要专门的写入电路。 二、r o m 、r a m 及其单元阵列 只读存储器( r e a d o f i l ym e m o r y ) r o m 第二章m e m o r y 概况分类 r o m 可分为掩模编程r o m ，场可编程r o m ( p r o m ) ，可擦除可编程r o m ( e p r o m ) ， 电可撩除可编程r o m ( e e p r o m ) 。 1 掩模编程r o m 掩模编程的r o m 可以用接触孔的掩模版来编程，也可以通过“存在”和“不 存在”栅开启m o s 管，或利用离子注入方法使m o s 管永远截止( 或永远导通) 等 方法来实现编程。它是由用户提供码点，而由生产厂家完成制作的，且一旦制成 则其中存储的信息无法改变。 2 场可编程r o m ( p r o m ) p r o m 可以允许用户自己根据需要进行一次编程，但用户一旦写入信息，就 不能再改写，p r o m 一般采用双极型电路，双极型p r o m 的基本结构有熔丝型和结 破坏型( 击穿型) 两种类型。 3 可擦除可编程r o m ( e p r o m ) e p r o m 一般采用m o s 电路，其存储单元中存储信息的m o s 管可以有不同的结构， 一般采用浮栅( f l o a t i n g g a t i n g ) 结构，利用浮栅上有无电荷来存取信息。e p r o m 通过对存储信息的管子施加较高电压，产生高能电子来实现电子注入( 写入信息 的) 。采用紫外光或x 一射线把原存的信息一次全部擦除。 4 电可擦除可编程r o m ( e e p r o m ) e 2 p r o m 存储单元中存储信息的管子采用浮栅隧道氧化物( f l o t o x ) 结构， 它是利用低能电子穿过氧化物的方法来实现编程和擦除的。 下面介绍各种r o m 的单元阵列。 见图2 2 中的d i o d er o m 单元，假设位线( b l ) 接下拉电阻接地，当字线 ( w l ) 和位线没有物理连接时，无论字线是否是高电平位线都是低电平：另一方 面，当高电平v 。加在存储1 单元的字线上时，二极管导通，位线的电压升为v ，l - v 。 。，即位线输出为高电平( 1 ) 。换句话说，字线和位线之间有或有d i o d e ( 二极 管) 相连决定了单元存储的是l 或0 信息。 但d i o d er o m 的缺点是位线和字线相连在一起，位线电容负载充电的电流 都要从字线获得，这意味着大容量存储器的字线要有很大的驱动能力，所以， d i o d er o m 大多应用在小容量存储器中。而b i p o l a rr o m 解决了这个问题，它的 字线和位线不相连，位线的驱动电流主要由b i p o l a r 连接的v ”供给。它的存储 一生三兰丝! ! ! 塑堡丝继 实现也和d i o d er o m 的相同。但是b i p o l a rr o m 单元必须给每个单元提供供电 v 。导致单元面积比d i o d er o m 的大，集成度相对较低。 v ll 宝 o b l 、v v l w l b l d i o d e ! r o m ：0 i 掣p o l a r r q m：_ m o sr o m 图23r o m 单兀 但b i p o l a rr o m 也没有完全达到字线和位线隔离，b i p o l a r 的基极电流需要 字线提供，上图中的m o sr o m 实现了字线和位线的完全隔离。与d i o d er o m 单 元不同的是它的位线是通过上拉电阻和供电电源相连的，因此，位线和字线之间 没有m o s 管相连时存储1 ，而位线和字线有m o s 管相连是存储0 。 下面是4 x 4 b i p o l a rr o m 和4 4 m o sr o m 单元阵列电路图，单元阵列中， 为了提高供电线的利用率，提高集成度，相l 艋字线上采用镜似( m i r r o r i n g ) 的 b i p o l a r 或m o s 。 w l 【0 v 吼” ：， 肌( 2 ： 、椎翻 b u 口】b h l 】+ ：8 i 2 ：b u 踟 + ： ：。 卜1 一 一 ：。、 +。， 气 ： # ： ， 卜、卜 ：，： ： ： ；一； ：1 i ：p u l l - d a w nr e s l c t o r ： ： 。， a4 x 4 b i p o l a rr o m c c l la r r a y 、) c l l i 田 0 0 l 田 、趼，田 帆圈 图2 44 x 4 b i p o l a r r o m 单元阵列电路图 、 1 i 。 卜_ 。卜i ： 砌 j f ql ： ip ： i k 1 卜ji 卜j _ ：! 、 、 ： ：i ，：1 ， i h i l b l 凹 b l b b l 固b l 圈 4 x 4 m o sr o m 图2 , 54 x 4 m o sr o m 单元阵列电路图 随机存取存储器( r e a d w r i t em e m o r y ) r a m 。 随机存取存储器指的是可以随时从存储器的任何一个单元读出或取出信 息，也可以随时向任何一个单元写入( 或存入) 信息的存储器，又称为读写存 储器。随机存储器是应用最广泛的存储器，它是数字计算、信息处理、自动控制 设备中不可缺少的部件。在计算机中常用它来存放各种数据、指令和计算的中间 结果。随机存储器因其结构功能不同，可分为静态随机存储器和动态随机存储器 两大类。 1 静态随机存取存储器( s r a m ) s r a m 是靠双稳态电路存储信息，用双稳态电路的两种状态表示信息的】 和0 ，是静态存储方式，只要不断电，信息可以一直保存，不需要刷新。s r a m 工作速度快，适合于作高速缓冲存储器。g r a m 的主要缺点是单元面积大，集成 度不如d r a m 容易提高，它的功耗也较大。 s r a m 的存储单元可以有多种形式，如六管单元，五管单元，四管单元。 如图2 5 ，是个n m o $ 六管静态单元的电路图。存储单元中的负载元件m 3 ，m 4 ， 它们的作用是抵消存储管m 1 ，m 2 的漏极和传输管m 5 ，m 6 的电荷泄漏的影响， 以保持存储的信息不变。为了提高s r a m 的集成度，必须减小每个单元的功耗， 为了降低单元的导通电流，发展了高阻多晶硅电阻负载单元。用高电阻率的多晶 硅电阻代替m o s 管做负载。 第二章m e m o 叫概况及分类 s i x - t r a n s i s t o rc m o ss r a mc e l l 图2 6六管c m o ss r a l 单元电路 2 动态随机存取存储器( d r a m ) 动态随机存储器与静态随机存储器在存储信息的原理上有根本性差别。动态 存储器的存储单元是利用m o s 管的栅极电容对电荷的暂存作用来存储信息的。由 于任何州结总有结漏电现象存在，所以，靠结电容存储的电荷( 或电压) 就会 泄漏，这就意味着信号要丢失。为了能保存好信息，就必须不断地、定期地给栅 极电容补充电荷以避免丢失所存储的信息。大家把这种操作称为再生或刷新。刷 新是由专门的刷新电路来实行的。 刷新的方式可分为突击刷新、隐刷新和透明刷新等。突击刷新是每隔一定时 间就将存储矩阵逐行突击刷新一次，当然，在刷新时存储体要停止读写操作。 隐刷新是读写一次就对存储器刷新一次，先读写，再刷新。透明刷新是定期刷 新，当应刷新的存储器正处于读写操作时就待其完成读写后再行刷新，而当其 处于维持状态时则立即进行刷新。透明刷新的存储器工作效率高，但刷新控制电 路复杂。隐刷新的控制电路简单，但工作效率低。 靠结电容来存储信号，既是动态存储器的最大优势，也是其主要缺欠的根源。 不难分析，d r a m 的存储单元元件最少，所以集成度晟高，功耗小，每位成本也 最低，使它能大量用于需要大存储量的系统( 如计算机的内存) 中。d r a m 是整 个半导体存储器集成电路技术水平的表征又是销售额的首户，它占有存储器总额 的6 0 左右的份额。 翌三茎竺竺1 2 ：塑星丝壁 一 d r a m 之最大缺点是需要刷新和对时序有严格的要求。动态存储单元需要定 期进行刷新，刷新频率取决于存储电容和m o s 管的泄漏情况。d r a m 读出过程也 存在1 9 题，电荷在分配的结果破坏了单元原来存储的信息，因此，d r a m 是破坏 性读出，读出信号微弱，因为位线寄生电容一般比存储电容大得多。d r a m 还需 要复杂的时序控制电路，有的还附加有片内刷新电路。因为d r a m 能检出的信号 很弱，还需要有灵敏的读写放大器。除此之外，它的抗干扰能力也较差，而且因 为其工作速度不高而常常成为限制计算机高速运行的因素。尽管如此，系统设计 者们总是扬长避短充分利用优势，避开或克服其缺欠而使d r a m 一直成为存储器 之主流。 d r a m 是靠电容存储信息，即动态存储方式，单元面积小易于提高集成度。 由于d r a m 的集成度高，功耗低，适于做计算机的内存。d r a m 的主要缺点是信息 不能长期保存，需要定期刷新。d r a m 单元从最初的4 管单元发展到三管又发展 到单管结构，从7 0 年代中期起单管单元结构成为了标准的d r a m 单元电路形式。 这三种形式各有优缺点。四管存储单元要用4 管，电路复杂，占用芯片面积大， 但它不需专门的刷新电路。三管单元的电路较简单，但却需要专门的刷新电路。 当然，电路结构最简单的莫过于单管单元，而遗憾的是它需要有高灵敏度的读出 放大器和复杂的外围电路。下图为单管的动态存储单元。 ，。： b l 。 。 _ t _。 、，l r+ i ：上：+ ：4 ： ：c b