ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Πληροφορικής ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ SRAM ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ MOSFET 32nm Η Δ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ εκπονήθηκε από τον φοιτητή Γεωργούλας Ιωάννης - 1639 καθηγητής Νικόλαος Κονοφάος - 1 - Θεσσαλονίκη, Μάιος 2015
ΠΕΡΙΛΗΨΗ Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη κυκλωμάτων υλοποιημένων με MOSFET τεχνολογίας 32nm. Πιο συγκεκριμένα θα χρησιμοποιηθεί ένα πρόγραμμα για να σχεδιαστεί ένα κύκλωμα μνήμης SRAM 64bit, δηλαδή μιας συστοιχίας κύτταρων μνήμης 8Χ8,και να προσομοιωθεί, εξάγοντας τα χαρακτηριστικά της λειτουργίας του. Στην πρώτη ενότητα, αναλύεται η τεχνολογία CMOS. Πιο συγκεκριμένα γίνεται μια εισαγωγή στη τεχνολογία CMOS, αναλύεται η δομή του MOSFET τρανζίστορ καθώς και του αντιστροφέα CMOS, που αποτελεί το βασικότερο κύκλωμα που κατασκευάζεται με τεχνολογία CMOS. Τέλος, γίνεται αναφορά στα χαρακτηριστικά και την εξέλιξη της τεχνολογίας CMOS. Στην δεύτερη ενότητα αναλύεται η στατική μνήμη τυχαίας προσπέλασης SRAM. Πιο συγκεκριμένα γίνεται μια εισαγωγή στις κατηγορίες μνημών που υπάρχουν και στην συνεχεία αναλύονται η δομή του κυττάρου μνήμης SRAM καθώς και η αρχιτεκτονική της. Τέλος, γίνεται αναφορά στα χαρακτηριστικά και την εξέλιξη των μνήμων SRAM s. Στην τρίτη ενότητα πραγματοποιείται η σχεδίαση και η προσομοίωση των κυκλωμάτων SRAM στο περιβάλλον Microwind. Πιο συγκεκριμένα γίνεται μια εισαγωγή στο περιβάλλον και τρόπο λειτουργιάς του Microwind, καθώς και στα υλικά και κάνονες σχεδίασης που το χαρακτηρίζουν. Τέλος, παρουσιάζονται αναλυτικά οι σχεδιάσεις και προσομοιώσεις του κυττάρου μνήμης SRAM καθώς και της μνήμης SRAM 64-bit. Στην τελευταία ενότητα της παρούσας διπλωματικής εργασίας, παρουσιάζονται μια σύνοψη της όλης δουλειάς που πραγματοποιήθηκε καθώς και γενικά συμπεράσματα. - 2 -
ABSTRACT The purpose of this diploma is to study circuits which have been designed with 32nm MOSFET technology. Specifically, a program will be used to design a 64bit SRAM memory circuit, meaning a 8X8 array of ram cells, and then to simulate it, extracting the features of its operation. In the first section, the CMOS technology is analyzed. Specifically, it is presented an introduction to the CMOS technology, a structure analysis of the MOSFET transistor and also the CMOS inverter, which is the basic circuit to be designed with CMOS technology. The last part is referred to the characteristics and evolution of the CMOS technology. In the second section, the static random access memory SRAM is analyzed. Specifically, it is presented an introduction of the existing memory categories and then follows the analysis of the basic SRAM cell structure and the SRAM architecture. The last part is referred to the characteristics and evolution of SRAM s. In the third section, the design and implementation of SRAM circuits in Microwind is accomplished. Specifically, it is presented a brief introduction of Microwind and the way it works, with the design rules and materials that govern it. The last part is referred to the analytic presentation of SRAM cell and 64-bit SRAM design and implementation. In the last section of this diploma, a synopsis from all the work done is presented and also general conclusions. - 3 -
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Περίληψη.................................................... 2 Abstract..................................................... 3 Περιεχόμενα................................................. 4 1. Η Τεχνολογία CMOS........................................6 1.1. Εισαγωγή.......................................... 6 1.2. Το τρανζίστορ MOSFET.............................. 7 1.3. Ο αντιστροφέας CMOS...............................9 1.4. Χαρακτηριστικά τεχνολογίας CMOS...................10 1.5. Εξέλιξη της τεχνολογίας CMOS...................... 11 2. Στατική Mνήμη Tυχαίας Προσπέλασης - SRAM.................14 2.1. Εισαγωγή......................................... 14 2.2. Το Κύτταρο μνήμης SRAM...........................14 Δομή κυττάρου μνήμης SRAM..................15 Λειτουργίες κυττάρου μνήμης SRAM............ 16 2.3. H αρχιτεκτονική της μνήμης SRAM...................17 Αποκωδικοποιητής γραμμής....................18 Πολυπλέκτης στήλης..........................19 Ενισχυτής αίσθησης.......................... 20-4 -
Οδηγός εγγραφής........................... 21 2.4. Χαρακτηριστικά της SRAM..........................21 Σταθερότητα δεδομένων..................... 22 Υψηλή ταχύτητα.............................22 Χαμηλή κατανάλωση ισχύος...................23 Εφαρμογές................................ 24 2.5. Εξέλιξη των SRAM s............................... 25 3. Σχεδίαση και Προσομοίωση Κυκλωμάτων SRAM............... 26 3.1. To περιβάλλον Microwind............................26 Η σειρά μοντέλων BSIM...................... 27 Κάνονες και υλικά σχεδίασης................. 29 3.2. Σχεδίαση και προσομοίωση κύτταρου SRAM 6-T....... 30 3.3. Σχεδίαση και προσομοίωση SRAM 64-bit.............. 35 4. Επίλογος................................................ 37 Βιβλιογραφία................................................38-5 -
1. Η Τεχνολογία CMOS 1.1 Εισαγωγή Η τεχνολογία CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) αποτελεί μια τεχνολογία κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που χρησιμοποιείται ευρέως σε SRAM, επεξεργαστές, μικροελεγκτές και άλλα ψηφιακά κυκλώματα. Ακόμα βρίσκει χρήση και σε αναλογικά κυκλώματα, όπως αισθητήρες εικόνων, μετατροπείς δεδομένων και υψηλά ολοκληρωμένους πομποδέκτες για διαφόρους τύπους επικοινωνίας. Η πατέντα της τεχνολογίας CMOS κατοχυρώθηκε το 1967 από τον Frank Wanlass. Όσον άφορα τα τεχνικά χαρακτηριστικά, η τυπική ψηφιακή σχεδίαση των κυκλωμάτων CMOS χρησιμοποιεί ένα συνδυασμό ζευγών από MOSFET s (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) p-τύπου (PMOS) και n-τύπου (NMOS) για την υλοποίηση ψηφιακών κυκλωμάτων. Επίσης τα εμπορικά CMOS προϊόντα είναι ολοκληρωμένα κυκλώματα αποτελούμενα από εκατομμύρια τρανζίστορ και των δυο τύπων, τα οποία είναι τυπωμένα σε πλακέτες πυριτίου των 10 έως 400 τετραγωνικών χιλιοστόμετρων. Από την αρχή της ανάπτυξης τεχνολογίας CMOS, όταν παρουσιάστηκε για πρώτη φορά από την Intel στις αρχές δεκαετίας του 70 το ένα kilobyte dram chip μέχρι και σήμερα που ξεπερνάει τη χωρητικότητα του ενός gigabyte, η μνήμη έχει αποτελέσει την κινητήρια δύναμη σε όλες της τις τεχνολογίες της αρχιτεκτονικής των υπολογιστών. Οι συνεχείς εξελίξεις της τεχνολογίας των ολοκληρωμένων συστημάτων έχουν συμβάλει σε υψηλό βαθμό στην ολοκλήρωση της μνήμης και ήδη συστήματα SOC s έχουν ενσωματωμένη μνήμη που καταλαμβάνει τουλάχιστον το 50% της επιφάνειας του πυριτίου, ποσοστό που σύμφωνα με τον διεθνή οργανισμό ημιαγωγών ITRS (International Technology Road map of Semiconductors) θα φτάσει το 90% σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Η τεχνολογία CMOS αποτελεί την πιο δημοφιλή τεχνολογία στην κατασκευή κυκλωμάτων Πολύ Μεγάλης Κλίμακας Ολοκλήρωσης (VLSI - Very Large Scale Integration), μιας και αποφέρει υψηλή πυκνότητα λογικών συναρτήσεων που μπορούν να υλοποιηθούν σε ένα chip. Όμως συνεχίζει να κλιμακώνεται ραγδαία και καταλήγει να συνάντα αρκετούς περιορισμούς στην υλοποίηση της. Η συνεχώς αυξανόμενη απαίτηση για μικρότερα μεγέθη και μικρότερη κατανάλωση, που αποτελούν σημαντικότατους παράγοντες στην ανάπτυξη της σημερινής βιομηχανίας, καθιστούν την αξιοπιστία των VLSI κυκλωμάτων πιο σημαντική από ποτέ. - 6 -
1.2 To Τρανζίστορ MOSFET Όπως αναφέρθηκε περιληπτικά στην εισαγωγή του κεφάλαιου, τα ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα τεχνολογίας CMOS κατασκευάζονται από ζεύγη δυο τύπων τρανζίστορ, ένα n-τύπου (NMOS) και ένα p-τύπου (PMOS), και η τυπική δομή τους παρουσιάζεται παρακάτω. Σχήμα 1.1 Τα MOS τρανζίστορ κατασκευάζονται με βάση το πυρίτιο (Silicon ή Si), που αποτελεί τετρασθενές στοιχείο σχηματίζοντας κρυσταλλικό πλέγμα με 4 δεσμούς μεταξύ των γειτονικών ατόμων. Στο διπλανό σχήμα 1.1 παρουσιάζεται η δομή και στο σχήμα 1.2 απλουστευμένο το γραφικό σύμβολο του τρανζίστορ NMOS. Οι περιοχές τύπου n αποτελούνται από πυρίτιο στο οποίο έχουν συγκρυσταλλωθεί πεντασθενή άτομα. Αυτά τα άτομα έχουν ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο σθένους από το πυρίτιο και έτσι ο ημιαγωγός τύπου n έχει πλεόνασμα ηλεκτρονίων. Το υπόστρωμα (Substrate) είναι μια περιοχή τύπου-p, δηλαδή έχουν συγκρυσταλλωθεί σε αυτή τρισθενή άτομα τα οποία έχουν ένα ηλεκτρόνιο σθένους λιγότερο από το πυρίτιο. Επομένως το υλικό ΝMOS Τρανζίστορ τύπου p έχει πλεόνασμα ηλεκτρονικών οπών που αντιστοιχούν σε ομοιοπολικούς δεσμούς που λείπουν. Το μονωτικό υλικό μεταξύ του υποστρώματος και της πύλης είναι ένα λεπτό στρώμα από διοξείδιο του πυριτίου. Η πύλη (Gate) κατασκευάζεται από πολυκρυσταλλικό πυρίτιο το οποίο είναι αγώγιμο. Οι περιοχές τύπου n σχηματίζουν την πηγή (Source) και την υποδοχή (Drain). Οι ακροδέκτες σύνδεσης με την πηγή και την υποδοχή είναι φτιαγμένοι από μέταλλο, που παλαιότερα ήταν αλουμίνιο (Al), ενώ στα μοντέρνα κυκλώματα είναι χαλκός (Cu). Όταν ο ακροδέκτης της πύλης του NMOS τρανζίστορ έχει την ίδια τάση με το υπόστρωμα δεν ρέει ρεύμα μεταξύ πηγής και υποδοχής. Όταν εφαρμοστεί στην πύλη θετικό δυναμικό σε σχέση με το υπόστρωμα τα ηλεκτρόνια έλκονται από αυτή. Όταν η τάση στην πύλη υπερβεί κάποιο όριο έλκονται αρκετά ηλεκτρόνια ώστε να σχηματιστεί ένα κανάλι τύπου n κάτω από το μονωτικό υλικό. Αυτό το κανάλι επιτρέπει τη διέλευση ρεύματος μεταξύ πηγής και υποδοχής. Γραφικό Σύμβολο NMOS Σχήμα 1.2-7 -
Στο διπλανό σχήμα 1.3 παρουσιάζεται η δομή και στο σχήμα 1.4 απλουστευμένο το γραφικό σύμβολο του PMOS. Η δομή του είναι παρόμοια με αυτή του NMOS τρανζίστορ, αλλά το υπόστρωμα κατασκευάζεται από υλικό τύπου n και οι περιοχές της πηγής και της υποδοχής από υλικό τύπου p. Στα PMOS τρανζίστορ, εάν εφαρμόσουμε στην πύλη αρνητική τάση σε σχέση με το υπόστρωμα απωθούνται από αυτή ηλεκτρόνια. Αυτό είναι ισοδύναμο με το να έλκονται οπές κάτω από το οξείδιο της πύλης. Όταν υπάρχουν αρκετές οπές σχηματίζεται ένα κανάλι τύπου p μεταξύ πηγής και υποδοχής το οποίο επιτρέπει την διέλευσή ηλεκτρικού ρεύματος μεταξύ τους. Τέλος το υπόστρωμα του PMOS τρανζίστορ στα κυκλώματα CMOS συνδέεται με την τάση τροφοδοσίας VDD. Γραφικό Σύμβολο PMOS Σχήμα 1.4 PMOS Τρανζίστορ Σχήμα 1.3 Για να γίνει πιο εύκολα κατανοητός ο τρόπος λειτουργίας των κυκλωμάτων που κατασκευάζονται με τη τεχνολογία CMOS, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι τα MOSFET τρανζίστορ συμπεριφέρονται σαν διακόπτες, όπως αναπαριστώνται στα παρακάτω σχήματα 1.5 και 1.6. Στο διπλανό σχήμα 1.5 συνοψίζεται η λειτουργία του NMOS τρανζίστορ σαν διακόπτης. Όταν η τάση που εφαρμόζεται στον ακροδέκτη της πύλης είναι αρκετά υψηλή (VH), τότε λέμε ούτε το τρανζίστορ είναι ενεργοποιημένο (on), δηλαδή λειτουργεί σαν κλειστός διακόπτης που συνδέει τους ακροδέκτες της πηγής και ΝMOS Τρανζίστορ σαν διακόπτης της υποδοχής, ενώ όταν η τάση που εφαρμόζεται στον ακροδέκτη της πύλης είναι Σχήμα 1.5 χαμηλή (VL) τότε λέμε ότι το τρανζίστορ είναι απενεργοποιημένο (off), δηλαδή λειτουργεί σαν ανοικτός διακόπτης και δεν υπάρχει σύνδεση μεταξύ πηγής και υποδοχής. - 8 -
Στο διπλανό σχήμα 1.6 συνοψίζεται η λειτουργία του PMOS τρανζίστορ σαν διακόπτης, το οποίο λειτουργεί αντίθετα από το NMOS τρανζίστορ. Όταν η τάση που εφαρμόζεται στον ακροδέκτη της πύλης είναι υψηλή (VH) τότε λέμε ότι το τρανζίστορ είναι απενεργοποιημένο (off), δηλαδή λειτουργεί σαν ανοικτός διακόπτης, PMOS Τρανζίστορ σαν διακόπτης εννοώ όταν η τάση που εφαρμόζεται στον αποδέκτη της πύλης είναι χαμηλή (VL) τότε λέμε ότι τρανζίστορ είναι ενεργοποιημένο (on), δηλαδή λειτουργεί Σχήμα 1.6 σαν κλειστός διακόπτης. [4] [5] 1.3 Ο αντιστροφέας CMOS Το βασικότερο κύκλωμα που μπορεί να κατασκευαστεί με την τεχνολογία CMOS είναι ο αντιστροφέας, ο οποίος αποτελείται από ένα τρανζίστορ PMOS και ένα τρανζίστορ NMOS όπως φαίνεται στο σχήμα 1.7. Ο ακροδέκτης πηγής του τρανζίστορ PMOS συνδέεται στο VDD και ο ακροδέκτης πηγής του τρανζίστορ NMOS γειώνεται. Στη συνέχεια εξετάζουμε αναλυτικότερα την λειτουργία του αντιστροφέα. Όταν η είσοδος είναι χαμηλή, οι δύο πύλες είναι σε δυναμικό μηδέν. Η είσοδος είναι κατά VDD πιο αρνητική από την πηγή του τρανζίστορ PMOS και στο ίδιο δυναμικό με την πηγή του τρανζίστορ NMOS. Το αποτέλεσμα είναι ότι το τρανζίστορ PMOS άγει, ενώ το τρανζίστορ NMOS αποκόπτεται. Υπό αυτές τις συνθήκες, υπάρχει ένα μονοπάτι πολύ χαμηλής αντίστασης (δηλαδή αγώγιμο) από το VDD προς την έξοδο και ένα μονοπάτι πολύ υψηλής αντίστασης (πρακτικά μη αγώγιμο) από την έξοδο έως τη γείωση. Επομένως, τάση εξόδου πλησιάζει το υψηλό επίπεδο VDD σε συνθήκες φυσιολογικού φορτίου. Όταν η είσοδος είναι υψηλή, οι δύο CMOS αντιστροφέας πύλες βρίσκονται σε τάση VDD και η κατάσταση αντιστρέφεται, δηλαδή το τρανζίστορ PMOS αποκόπτεται και το τρανζίστορ NMOS άγει. Το αποτέλεσμα είναι ότι η έξοδος Σχήμα 1.7 πλησιάζει το χαμηλό επίπεδο των 0 V. Αυτή η διάταξη μειώνει κατά πολύ τη κατανάλωση ισχύος και την αύξηση της θερμοκρασίας στο κύκλωμά. Παρ όλα αυτά κατά τη διάρκεια μετάβασης των τρανζίστορ από τη μια κατάσταση στην άλλη προκαλείται μια σύντομη άνοδος στην κατανάλωση ισχύος γεγονός που αποτελεί σοβαρό ζήτημα σε υψηλές συχνότητες. - 9 -
Εγκάρσια Δομή των δυο Τρανζίστορ σε μια CMOS πύλη Σχήμα 1.8 [12] 1.4 Χαρακτηριστικά τεχνολογίας CMOS Τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά που παρουσιάζουν τα ολοκληρωμένα κυκλώματα CMOS είναι τα: I. Χαμηλή κατανάλωση ισχύος : τα στατικά κυκλώματα έχουν το χαρακτηριστικό ότι η παροχή ρεύματος από την πηγή ισχύος απαιτείται μόνο στην περίπτωση που συμβαίνει αλλαγή κατάστασης εξόδου μίας λογικής πύλης (δυναμική κατανάλωση ισχύος). Εάν οι είσοδοι μιας πύλης παραμένουν σταθερές σε κατάσταση 0 ή 1, τότε Η στατική κατανάλωση ισχύος περιορίζεται σε αυτήν που προκύπτει από τα Ρεύματα διαρροής. Επίσης, η χαμηλή κατανάλωση ισχύος είναι ένα πλεονέκτημα που οδηγεί σε μειωμένη παραγόμενη θερμότητα. II. Μεγάλη πυκνότητα ολοκλήρωσης : Η μεγάλη πρόοδος στην τεχνολογία επεξεργασίας του πυριτίου έχει συμβάλλει αποφασιστικά στην καθιέρωση της CMOS τεχνολογίας. Έχει καταστεί δυνατή Η κατασκευή γραμμών διασύνδεσης με πλάτος μικρότερο του 0.5 μm χρησιμοποιώντας τις τεχνικές οπτικής λιθογραφίας. Η πυκνότητα ολοκλήρωσης αυξάνεται καθώς το μέγεθος των τρανζίστορ μειώνεται, επιτρέποντας στη CMOS τεχνολογία να επιτυγχάνει υψηλότερό βαθμό ολοκλήρωσης. III. Μέγιστο πεδίο μεταβολή τάσης στις λογικές στάθμες έξοδου : Στις CMOS πύλες oι λογικές στάθμες των εξόδων τους αντιστοιχούν στις στάθμες των πηγών ισχύος. Το μεγαλύτερο πεδίο μεταβολής στις στάθμες εξόδου της CMOS πύλης σημαίνει μεγαλύτερα περιθώρια θορύβου και συνεπώς πιο αξιόπιστα λογικά κυκλώματα. - 10 -
IV. Συμμετρική απόκριση μετάβασης : Η απόκριση μετάβασης μιας πύλης είναι κρίσιμη για το συγχρονισμό της ροής των λογικών σημάτων. Ένα CMOS κύκλωμα μπορεί να σχεδιαστεί έτσι ώστε να έχει συμμετρικούς χρόνος μετάβασης στην έξοδο, διευθετώντας το μέγεθος τον τρανζίστορ. Αυτό σημαίνει ότι ο χρόνος που απαιτείται για την έξοδο να μεταβεί από το λογικό 0 στο λογικό 1 μπορεί να γίνει ίσος με το χρόνο που απαιτείται για την μετάβαση της από το λογικό 1 στο λογικό 0. Η δυνατότητα συμμετρικής απόκρισης απλοποιεί το σχεδιασμό του χρονισμού πολύπλοκων κυκλωμάτων. V. Σχεδιασμός κυκλωμάτων δυναμικής λογικής : τα κυκλώματα που βασίζονται σε αυτή την τεχνολογία περιέχουν κόμβους όπου κυριαρχούν οι παρασιτικές χωρητικότητες που επηρεάζουν την ηλεκτρική συμπεριφορά τους. Αν και μεγάλες τιμές χωρητικότητας τείνουν να μειώσουν την ταχύτητα των κυκλωμάτων στατικής λογικής, είναι δυνατή η χρησιμοποίηση των κόμβων αυτών για δυναμική αποθήκευση φορτίου. Σε αυτή την περίπτωση, το φορτίο ενεργεί ως μια λογική παράμετρος και μπορεί να μεταφερθεί χρησιμοποιώντας ένα δίκτυο από τρανζίστορ. Σε γενικές γραμμές, κυκλώματα δυναμικής λογικής παρέχουν μεγαλύτερη πυκνότητα ολοκλήρωσης καθώς επίσης και πλεονεκτήματα που αφορούν το χρονισμό και την ταχύτητα των κυκλωμάτων. Από τους παραπάνω παράγοντες μπορούμε να καταλάβουμε γιατί η τεχνολογία CMOS είναι τόσο σημαντική και αποτελεί το κύριο εργαλείο στην υλοποίηση VLSI κυκλωμάτων καθώς επίσης και για την τεχνολογική προαγωγή σε σχεδιασμό κυκλωμάτων υπερυψηλής κλίμακας ολοκλήρωσης (ULSI - Ultra Large Scale Integration). [8] 1.5 Εξέλιξη της τεχνολογίας CMOS Οι εξελίξεις στην τεχνολογία CMOS είναι ραγδαίες και ανέκαθεν οι συνεχείς απαιτήσεις για βελτίωσή της είχαν τις έξης παραμέτρους : ενσωμάτωση περισσότερων λειτουργιών στην ήδη υπάρχουσα περιοχή πυριτίου χαμηλότερο κόστος κατασκευής αύξηση ταχύτητας λειτουργιάς χαμηλότερη κατανάλωση ισχύος Στο παρακάτω σχήμα 1.9 παρουσιάζεται η εξέλιξη της CMOS τεχνολογίας στο πέρασμα των τελευταίων χρόνων από τα 130 nm, που παρουσιαστήκαν το 2001, μέχρι τα 11 nm, που υπολογίζεται ότι θα μπουν σε διαδικασία παράγωγης μέχρι το 2018. Τα πρώτα chips που χρησιμοποιήσαν τεχνολογία στα 32 nm ανακοινωθήκαν από την Intel το 2008. Σχήμα 1.9-11 -
Στην συνεχεία, στο ακόλουθο γράφημα του σχήματος 1.10, παρουσιάζεται η κλιμακωτή μείωση της τεχνολογίας CMOS στο πέρασμα των χρόνων. Κλιμακωτή μείωση τεχνολογίας CMOS Σχήμα 1.10 Σε κάθε κλιμάκωση της λιθογραφίας, οι γραμμικές διαστάσεις μειώνονται σε γενικές γραμμές κατά ένα παράγοντα 0.7, και η περιοχή μειώνεται κατά ένα παράγοντα 2. Μικρότερα μεγέθη κύτταρων οδηγούν σε υψηλότερη πυκνότητα ολοκλήρωσης, η οποία έχει αυξηθεί σε σχεδόν 2.8 εκατομμύρια πύλες ανά mm 2 στην τεχνολογία των 32nm. Η αγορά των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων αναπτύσσεται σταθερά για αρκετά χρόνια, λόγω της ολοένα αυξανόμενης ζήτησης για ηλεκτρονικές συσκευές. Η παραγωγή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, διαφορών τεχνολογιών στο πέρασμα των χρόνων απεικονίζεται στο σχήμα 1.11. Είναι εύκολα παρατηρήσιμο ότι μια καινούρια τεχνολογία παρουσιάζεται ανά δυο χρόνια, και σε μεμονωμένες περιπτώσεις μπορεί να φτάσει τα τρία χρόνια. Η κορύφωση της παράγωγης ολοένα αυξάνεται και παρόμοια γραφήματα θα παρουσιαστούν για τις μετέπειτα τεχνολογίες που θα ακολουθήσουν μετά τα 32nm. - 12 -
Κύκλοι παραγωγής τεχνολογίας CMOS Σχήμα 1.11 Την περίοδο εκπόνησης της παρούσας διπλωματικής εργασίας η τεχνολογία που χρησιμοποιείται στα εμπορικά ολοκληρωμένα κυκλώματα είναι αυτή των 14nm, με την επομένη οικογένεια CMOS των 10nm να την διαδέχεται περίπου το 2016. Σύμφωνα με το διεθνή οργανισμό ημιαγωγών ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) το 2020 θα έχουμε φτάσει στο μέγεθος των 5nm! [1] [3] - 13 -
2. Στατική Μνήμη Τυχαίας Προσπέλασης SRAM 2.1 Εισαγωγή Υπάρχουν δύο μεγάλες κατηγορίες RAM.Η πρώτη κατηγορία είναι η δυναμική μνήμη τυχαίας προσπέλασης (Dynamic Random Access Μemory ή DRAM) στην οποία τα δεδομένα που αποθηκεύονται σε κάθε θέση μνήμης πρέπει περιοδικά να ανανεώνονται, διαβάζοντας αυτά και εγγράφοντάς τα ξανά στις ίδιες θέσεις μνήμης, διαφορετικά χάνονται. Η δεύτερη κατηγορία είναι η στατική μνήμη τυχαίας προσπέλασης (Static Random Access Memory ή SRAM) στην οποία τα δεδομένα διατηρούνται όσο εξακολουθεί να εφαρμόζεται η τάση τροφοδοσίας του ολοκληρωμένου συστήματος και φυσικά εφόσον δεν εγγραφεί κάποια άλλη πληροφορία στην ίδια θέση μνήμης. Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα ασχοληθούμε με τη στατική μνήμη τυχαίας προσπέλασης SRAM. Η στατική μνήμη τυχαίας προσπέλασης SRAM είναι ένας τύπος μνήμης ημιαγωγών που χρησιμοποιεί δισταθές κύκλωμα μανδάλωσης για την αποθήκευση κάθε bit. Η SRAM είναι πιο ακριβή, αλλά ευκολότερη στον έλεγχο, πιο γρήγορη και χρειάζεται πολύ λιγότερη ενέργεια (ειδικά σε κατάσταση αναμονής) σε σχέση με τη DRAM. Λόγω της πιο σύνθετης εσωτερικής δομής που έχει, η SRAM έχει λιγότερη πυκνότητα απ' ότι η DRAM και συνεπώς για υψηλής χωρητικότητας και χαμηλού κόστους εφαρμογές, όπως η κύρια μνήμη στους προσωπικούς υπολογιστές. [11] 2.2 Το κύτταρο μνήμης SRAM Το κύτταρο μνήμης αποτελεί το βασικό συστατικό της μνήμης SRAM οπού αποθηκεύεται η δυαδική πληροφορία. Ένα χαρακτηριστικό κύτταρο μνήμης SRAM χρησιμοποιεί τρανζίστορ πρόσβασης και δύο αναστροφείς διασταυρωμένης σύζευξης σχηματίζοντας έναν μανδαλωτή. Ένα τυπικό κύτταρο μνήμης 6Τ αποτελείται από έξι τρανζίστορ MOSFET και παρουσιάζεται στο ακόλουθο σχήμα 2.1 και στην συνεχεία αναλύεται η δομή του και ο τρόπος λειτουργιάς του. - 14 -
Κύτταρο Μνήμης SRAM 6T Σχήμα 2.1 Δομή Κυττάρου Μνήμης SRAM Κάθε bit στο κύτταρο μνήμης SRAM είναι αποθηκευμένο στα τέσσερα τρανζίστορ M1, M2, M3, M4 που αποτελούν δυο ζεύγη αντιστροφέων και είναι συνδεδεμένα σταυρωτά. Ο κάθε αντιστροφέας αποτελείται από ένα τρανζίστορ PMOS και άλλο ένα τρανζίστορ NMOS. Αυτό το κελί αποθήκευσης έχει δυο σταθερές καταστάσεις που χρησιμοποιούνται για τα λογικά 0 και 1. Τα άλλα δυο τρανζίστορ Μ5 και Μ6, αποκαλούνται τρανζίστορ πρόσβασης και χρησιμοποιούνται για να έχουμε πρόσβαση στην πληροφορία που είναι αποθηκευμένη στο κελί κατά τις λειτουργιές ανάγνωσης και εγγραφής. Τα τρανζίστορ αυτά ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται μέσω της γραμμής τροφοδοσίας WL (Word Line) και είναι συνδεδεμένα με την γραμμή δεδομένων BL (Bit Line) και την συμπληρωματική της BL bar (Bit Line Bar) που χρησιμοποιούνται για τις διαδικασίες ανάγνωσης και εγγραφής. Όταν δεν περνάει ρεύμα στη γραμμή τροφοδοσίας τότε το κύτταρο βρίσκεται σε κατάστασης αναμονής. - 15 -
Λειτουργίες Κυττάρου Μνήμης SRAM Οι καταστάσεις στις οποίες μπορεί να βρεθεί το κύτταρο είναι τρεις. Σε αναμονή, δηλαδή όταν το κύκλωμα βρίσκεται σε αδράνεια, στη λειτουργία ανάγνωσης, δηλαδή όταν έχουν ζητηθεί δεδομένα και τέλος στη λειτουργία εγγραφής δηλαδή στην ενημέρωση της πληροφορίας. Αναλυτικότερα για τις τρεις αυτές λειτουργίες : Αναμονή Εάν η πρόσβαση από την γραμμή τροφοδοσίας Word Line δεν είναι θετική τότε τα τρανζίστορ πρόσβασης Μ5 και Μ6 αποσυνδέουν το κελί από τις γραμμές δεδομένων Bit Line και τα δυο σταυρωτά συνδεδεμένα ζεύγη αντιστροφέων Μ1 - Μ4 θα συνεχίσουν να ενισχύουν το ένα το άλλο εφόσον διαρρέονται από ρεύμα. Λειτουργία Ανάγνωσης Πριν ακόμα ξεκινήσει η λειτουργιά της ανάγνωσης, οι γραμμές δεδομένων Bit Line και Bit Line Bar φορτίζονται από την Vdd. Όταν περάσει ρεύμα από την γραμμή τροφοδοσίας WL (Word Line), τότε ενεργοποιούνται τα τρανζίστορ πρόσβασης Μ5 και Μ6 επιτρέποντας να περάσει το ρεύμα μέσα στο κύκλωμα. Έτσι καθώς περνάει το ρεύμα από την πηγή τροφοδοσίας Vdd μέσω του Μ2 και του Μ5 φορτίζει την BL και το ήδη υπάρχον ρεύμα της BL bar θα αρχίσει να εκφορτίζεται μέσω του Μ3 και του Μ6 στην γείωση αφήνοντας την τελικά σε μηδενική τάση. Με αυτό τον τρόπο που μόλις περιγράψαμε η πληροφορία που υπήρχε στο κύτταρο φόρτισε με υψηλή τάση την BL και αποφόρτισε την BL bar. Αυτό που παρατηρούμε είναι ότι η γραμμή δεδομένων BL και η συμπληρωματική της BL bar λειτουργούν ως έξοδοι δεδομένων σε αυτήν την λειτουργία. Λειτουργία Εγγραφής Η έναρξη ενός κύκλου εγγραφής ξεκινάει με την πληροφορία που είναι να γραφτεί στις γραμμές δεδομένων. Το κύτταρο επιλέγεται με την ενεργοποίηση της WL (Word Line) που περνάει από αυτό. Για να γίνει η εγγραφή της λογικής τιμής 1 στο κύκλωμα μας, χρειάζεται η ισχύς της BL να βρίσκεται σε υψηλή τάση και αντίστοιχα η συμπληρωματική της BL bar θα παραμείνει σε χαμηλή τάση. Επομένως από τον κόμβο Q θα περνάει ρεύμα με τάση Vdd ενώ από τον κόμβο Q συμπληρωματικό αντιστοίχως δεν θα περνάει. Με την αντιστροφή διαδικασία στο κύτταρο θα αποθηκευτεί η λογική τιμή 0. Σε αυτή του είδους την λειτουργία η BL και η συμπληρωματική της χρησιμοποιούνται ως είσοδοι δεδομένων. [10] - 16 -
2.3 Αρχιτεκτονική της μνήμης SRAM Μια τυπική διάταξή οργάνωσης της μνήμης αποτελείται από μια συστοιχία μνήμης (SRAM Arrays), έναν αποκωδικοποιητή γραμμής (Row Decoder), έναν αποκωδικοποιητή στήλης (Column Decoder), τα κυκλώματα αισθήσεις (Sence Amplifiers) και εγγραφής (Write Drivers) και ένα κύκλωμα χρονισμού (Timing Block). Ο όγκος της μνήμης αποτελείται από κελιά μνήμης στα οποία είναι αποθηκευμένα τα bits. Κάθε κελί μνήμης είναι ένα ηλεκτρικό κύκλωμα ικανό να αποθηκεύσει ένα bit. Για καλύτερη διευθυνσιοδότηση της αποθηκευμένης πληροφορίας είναι επιθυμητή η φυσική οργάνωση των κελιών σε ένα τσιπ μέσα σε ένα τετράγωνο ή περίπου τετράγωνο πίνακα. Η συστοιχία μνήμης έχει 2 Μ σειρές, γνωστές και ως Word Lines και 2 Ν στήλες, γνωστές και ως Bit Lines, δηλαδή μια συνολική δυνατότητα αποθήκευσης 2 (Μ+Ν) κελιών. Κάθε κελί στη συστοιχία είναι συνδεδεμένο με μία από τις 2 Μ σειρές και μία από τις 2 Ν στήλες. Ένα ειδικό κελί διαλέγεται για την ανάγνωση ή την εγγραφή, μέσω των διευθύνσεων Χ και Y από τους αποκωδικοποιητές γραμμής και στήλης αντίστοιχα, ενεργοποιώντας τη δικιά του γραμμή τροφοδοσίας Word Line και γραμμή δεδομένων Bit Line. Τέλος πραγματοποιούνται οι λειτουργίες ανάγνωσης και έγγραφης από τον ενισχυτή αίσθησης και οδηγό εγγραφής. Στο ακόλουθο σχήμα 2.2 παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική της μνήμης, όπως περιγράφτηκε συνοπτικά παραπάνω και στη συνέχεια αναλύονται οι επιμέρους λειτουργιές της. Σχήμα 2.2-17 -
Αποκωδικοποιητής Γραμμής (Row Decoder) Ο ρόλος του αποκωδικοποιητή γραμμής είναι να δέχεται στην είσοδό του τη διεύθυνση που θα προσπελαστεί και να ενεργοποιεί την κατάλληλη word line της μνήμης. Η απόκριση του παίζει καθοριστικό ρόλο στη συνολική απόκριση της μνήμης. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι σχεδίασης ενός αποκωδικοποιητή άλλα ο πιο απλός αποτελείται από μια σειρά πυλών AND ή NAND και απεικονίζεται στο ακόλουθο Σχήμα 2.3 σχήμα 2.3. Η συγκεκριμένη δομή, του σχήματος 2.3, είναι χρήσιμη για λίγες εισόδους. Στην περίπτωση που θα είχαμε περισσότερες εισόδους θα χρειαζόμασταν μεγάλες πύλες AND ή NAND πολλών εισόδων όμως θα είχαν μεγάλη καθυστέρηση. Βέβαια, το πρόβλημα αυτό μπορεί να λυθεί με την διάσπαση των μεγάλων πυλών σε μικρότερες και στη συνεχεία κατασκευή ενός αποκωδικοποιητή τύπου δένδρου όπως απεικονίζεται στο σχήμα 2.4. Αυτός ο αποκωδικοποιητής χρειάζεται μια περαιτέρω ανάλυση για να βρεθεί ο βέλτιστος αριθμός βαθμίδων του δέντρου αλλά και το βέλτιστο μέγεθος τρανζίστορ της κάθε βαθμίδας ώστε να επιτευχθεί η ελάχιστη καθυστέρηση. Επίσης η επιλογή του αποκωδικοποιητή εξαρτάται από την επιφάνεια του κυττάρου μνήμης. Στο φυσικό σχέδιο, η απόσταση ανάμεσα σε δυο διαδοχικές γραμμές του αποκωδικοποιητή πρέπει να είναι ίση με το ύψος του κυττάρου μνήμης. Ένας μεγάλος αποκωδικοποιητής με απλές πύλες NAND είναι δύσκολο να ικανοποιήσει αυτή τη συνθήκη, καθώς οι μεγάλες πύλες NAND απαιτούν μεγαλύτερη επιφάνεια. Η εναλλακτική λύση είναι πύλες προαποκωδικοποίησης όπως και απεικονίζονται στο ακόλουθο σχήμα 2.5. Σε αυτή την περίπτωση, οι γραμμές διεύθυνσης χωρίζονται σε πεδίο προαποκωδιοποίησης και σε ένα ακόμα πεδιο άμεσης αποκωδικοποίησης. Το πεδίο αποκωδικοποίησης απαιτεί μια πύλη ανά γραμμή και έτσι είναι εύκολο να ταιριάζει στο ύψος του κυττάρου. Αποκωδικοποιητής Γραμμής Σχήμα 2.4 Αποκωδικοποιητής Τύπου Δέντρου - 18 -
Η συγκεκριμένη όμως τοπολογία δεν βελτιώνει σε κάποιο βαθμό την ταχύτητα αλλά έχει ως πλεονέκτημα την καλύτερη κατασκευή του φυσικού σχεδίου. Σχήμα 2.5 Αποκωδικοποιητής που χρησιμοποιεί πύλες προαποκωδικοποίησης Πολυπλέκτης Στήλης (Multiplexer) Ο πολυπλέκτης στήλης είναι υπεύθυνος για το ποια κύτταρα της γραμμής θα προσπελαστούν και ένα παράδειγμα αυτού απεικονίζεται στο σχήμα 2.6. Στη συγκεκριμένη περίπτωση τα δεδομένα διασυνδέονται μέσω NMOS τρανζίστορ που ενεργοποιούνται από τις γραμμές διεύθυνσης στήλης. Αυτή η τοπολογία επιφέρει κάποια καθυστέρηση λόγω των NMOS τρανζίστορ που βρίσκονται σε σειρά. Πολυπλέκτης Στήλης Τύπου Δέντρου Σχήμα 2.6-19 -
Μια πιο γρήγορη τοπολογία απεικονίζεται στο σχήμα 2.7, όπου υλοποιείται ένας αποκωδικοποιητής NAND, ο οποίος χρησιμοποιεί το κατάλληλο NMOS τρανζίστορ. Στη συγκεκριμένη περίπτωση η καθυστέρηση είναι πολύ μικρότερη αφού είναι μόνο ένα τρανζίστορ σε σειρά με τα δεδομένα. Ένα πλεονέκτημα της πολυπλεξίας στα δεδομένα της στήλης είναι ότι βοηθάει και στην φυσική σχεδίαση εξοικονομώντας Σχήμα 2.7 επιφάνεια. Αυτό συμβαίνει διότι με τον πολυπλεκτή περισσότερες από μία στήλες χρησιμοποιούν τα ίδια κυκλώματα κι έτσι είναι διαθέσιμη περισσότερη επιφάνεια. Χωρίς το πολυπλεκτή δε θα ήταν δυνατή η σχεδίαση των διαφόρων κυκλωμάτων στήλης σε επιφάνεια που να έχει το ίδιο πλάτος με εκείνο ενός κυττάρου. Επίσης, ένα δεύτερο πλεονέκτημα, είναι ότι χρησιμοποιώντας λιγότερα κυκλώματα ενισχυτών και οδηγών εγγραφής μειώνεται η κατανάλωση ενέργειας. Πολυπλέκτης Στήλης με Αποκωδικοποιητή Ενισχυτής Αίσθησης (Sense Amplifier) Για να διαβαστεί ένα κύτταρο μνήμης, ενεργοποιείται η word line και το κύτταρο αποφορτίζει μία από τις δύο bit lines ανάλογα με την πληροφορία που περιέχει. Αυτή η διαδικασία επιταχύνεται με τη χρήση ενός ενισχυτή αίσθησης. Αντί να αφήσουμε το κύτταρο να αποφορτίσει πλήρως μία από τις δύο bit lines, φροντίζουμε έτσι ώστε να την αποφορτίσει μέχρι να αναπτυχθεί ανάμεσα τους μια διαφορά δυναμικού ικανή να ενεργοποιήσει έναν διαφορικό ενισχυτή. Στη συνέχεια ο διαφορικός ενισχυτής οδηγεί γρήγορα τη μια του έξοδο στη γη και την άλλη στη VDD, κερδίζοντας έτσι και σε ταχύτητα και σε κατανάλωση. Ένας απλός διαφορικός ενισχυτής αίσθησης απεικονίζεται στο σχήμα 2.8, όποιος αποτελείται από ένα αναλογικό διαφορετικό ζεύγος χωρίς να χρειάζεται ρολόι. Έχει το πλεονέκτημα ότι είναι απλώς στη σχεδίαση του, αποτελούμενος από λίγα τρανζίστορ καταλαμβάνοντας έτσι μικρή επιφάνεια. Όμως το μειονέκτημα του είναι η μεγάλη στατική κατανάλωση ισχύος. Μια διαφορετική περίπτωση, Απλός Διαφορικός Ενισχυτής Αίσθησης είναι ένας ενισχυτής αίσθησης τύπου μανδαλωτή, ο οποίος απεικονίζεται στο σχήμα 2.9 και η λειτουργία του μοιάζει πολύ με αυτή του κύτταρου. Ο συγκεκριμένος ενισχυτής αίσθησης έχει ως Σχήμα 2.8-20 -
Ενισχυτής Αίσθησης τύπου Μανδαλωτή πλεονέκτημα ότι δαπανά λιγότερη ενέργεια αλλά το μειονέκτημα του είναι μεγαλύτερη πολυπλοκότητα στο κύκλωμα ελέγχου. Ο ενισχυτής πρέπει να ενεργοποιηθεί τη σωστή στιγμή, διαφορετικά στην περίπτωση που ενεργοποιηθεί πολύ νωρίς οι bit lines μπορεί να μην έχουν αναπτύξει την απαιτούμενη διαφορά δυναμικού για την σωστή του λειτουργία ενώ αν ενεργοποιηθεί πολύ αργά μειώνεται η ταχύτητα της μνήμης. Σχήμα 2.9 Οδηγός Εγγραφής (Write Driver) Η ευθύνη του κυκλώματος ενός οδηγού εγγραφής είναι η γείωση ενός από τους δύο κόμβους του κυττάρου, με σκοπό να αλλάξει η κατάσταση του κύτταρο μνήμης ενεργοποιώντας την λειτουργία εγγραφής. Στο διπλανό σχήμα 2.10 απεικονίζεται το κύκλωμα ενός οδηγού εγγραφής, όποιος αποτελείται από δυο NMOS τρανζίστορ τα οποίο επιτρέπουν την εγγραφή. Το υπόλοιπο κύκλωμα συνδέει μία από τις δύο bit lines με τη γη, ανάλογο με την είσοδο των δεδομένων data. Κύκλωμα Οδηγού Εγγραφής Σχήμα 2.10 2.4 Χαρακτηριστικά της SRAM Ο σχεδιασμός κάθε μνήμης διέπεται από τις απαιτήσεις των εφαρμογών της. Όταν ένα αυτόνομο τσιπ μνήμης σχεδιάζεται, θα πρέπει να είναι τυποποιημένο με τις τυπικές προδιαγραφές που μπορούν να υποστηρίξουν τις διεπαφές του τόσο με τον επεξεργαστή όσο και με τις διάφορες περιφερειακές συσκευές. Όμως το κύριο μέλημα, όσον αφορά τις εφαρμογές, έχει να κάνει με τις ενσωματωμένες μνήμες που πρέπει να βρίσκονται μέσα στο ίδιο το σύστημα. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η απόδοση του συστήματος σχετίζεται άμεσα με το σχεδιασμό και την αρχιτεκτονική της μνήμης. [6] - 21 -
Καθώς όλο και περισσότερες συσκευές εισέρχονται στην αγορά, η πολυπλοκότητα στο σχεδιασμό έχει αυξηθεί και έτσι υπάρχουν περισσότερες απαιτήσεις όσον άφορα τα χαρακτηριστικά σχεδίασης και τις προδιαγραφές της μνήμης. Στην συνεχεία του κεφάλαιου περιγράφονται διαφορές παράμετροι που λαμβάνονται υπόψιν κατά τον σχεδιασμό της SRAM, καθώς και μια προσπάθεια κατανόησης των τεχνικών σχεδιασμού που χρησιμοποιούνται για την επίτευξη της επιθυμητής απόδοσής της. Σταθερότητα Δεδομένων Υπήρξαν σημαντικές προσπάθειες κατά τα τελευταία χρόνια για να κατανοηθεί και να διαμορφωθεί η σταθερότητα των flip-flop κυττάρων. Το βασικό εγκάρσια συζευγμένο κύτταρο είναι ιδιαίτερα απλό στην εμφάνιση, όμως προσπάθειες για μοντελοποίηση της σταθερότητας του κυττάρου έχουν αποφέρει μονάχα περιορισμένη επιτυχία. Η σταθερότητα εκφράζεται από το περιθώριο στατικού θορύβου (static noise margin - SNM). Μπορούμε να αναπαραστήσουμε ένα κύτταρο SRAM από ένα flip-flop που αποτελείται από δυο αντιστροφείς, όπως απεικονίζεται στο διπλανό σχήμα 2.11. Οι πήγες τάσης Vn είναι πήγες στατικού θορύβου. Ο στατικός θόρυβος αποτελεί μια διαταραχή της dc (Direct Current), όπως μετατοπίσεις και ανακατατάξεις, οι οποίες συνήθως οφείλονται στην επεξεργασία και στις μεταβολές των συνθηκών λειτουργίας. Το SNM ενός flip-flop ορίζεται ως η μεγίστη τιμή της Vn που μπορεί να γίνει ανεκτή από το flip-flop πριν από την αλλαγή κατάστασης. Σχήμα 2.11 Ένα κύτταρο SRAM πρέπει να είναι έτσι σκεδασμένο έτσι ώστε υπό όλες τις συνθήκες ένα περιθώριο στατικού θορύβου (SNM) να είναι δεσμευμένο ώστε να αντιμετωπίσει τις διαφορές δυναμικές διαταραχές που προκαλούνται από αυξομείωση της τροφοδοσίας, φαινόμενο crosstalk και θερμικό θόρυβο. Υψηλή Ταχύτητα Οι ταχύτητες των επεξεργαστών εξαρτώνται σε πολύ μεγάλο βαθμό από την απόδοση των on-chip SRAM s. Καθώς η τεχνολογία βελτιώνεται συνεχώς, έτσι παρομοίως και η τάση για αύξηση πυκνότητας της μνήμης και μεγαλύτερης χωρητικότητας αποθήκευσης αποτελούν τον κινητήριο μοχλό στον τρόπο σχεδίασης συστημάτων. Για χρόνια, οι μνήμες αποτελούσαν εμπόδιο για την επίτευξη ταχύτερων συστημάτων, όμως σήμερα, η μνήμη SRAM είναι σχεδιασμένη έτσι ώστε να ταιριάζει την ταχύτητα του επεξεργαστή με αυτή της κύριας μνήμης, βελτιώνοντας επίσης φαινομενικά την ταχύτητα της. Ένας από τους βασικότερους παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα της μνήμης είναι ο χρόνος πρόσβασης σε αυτή, δηλαδή ο χρόνος που απαιτείται για την αποθήκευση και ανάκτηση ενός bit δεδομένων στη συστοιχία μνήμης. Ένας τρόπος επιτάχυνσης της διαδικασίας ανάγνωσης είναι η χρήση αναλογικών ενισχυτών. - 22 -
Χαμηλή Κατανάλωση Ισχύος Η ταχεία ανάπτυξη των VLSI (Very Large Scale integration) κυκλωμάτων έχει οδηγήσει σε μειωμένα μεγέθη συσκευών, σε αυξημένες πυκνότητες τρανζίστορ και σε κυκλώματα υψηλής πολυπλοκότητας. Τέτοια κυκλώματα έχουν υπερβολική κατανάλωση ισχύος και παράγουν πολύ θερμότητα και γι αυτούς τους λόγους είναι πιο επιρρεπή στο να αποτύχουν κατά τον χρόνο εκτέλεσης τους, παρουσιάζοντας μικρότερη αξιοπιστία. Η αυξημένη θερμοκρασία που εκχέεται από τους επεξεργαστές υψηλής ισχύος επιδεινώνει την ορθή λειτουργιά των μηχανισμών πυριτίου. Γι αυτό και οι σχεδιαστές των κυκλωμάτων έχουν συνειδητοποιήσει τη σημασία του περιορισμού κατανάλωσης ισχύος και της βελτίωσης ενεργειακής απόδοσης σε όλα τα επίπεδα σχεδιασμού. Η κατανάλωση ισχύος στην SRAM μπορεί να χωριστεί σε δύο καταστάσεις λειτουργίας, την ενεργή (active) και την αναμονή (standby). Στην ενεργή κατάσταση λειτουργίας η κατανάλωση ισχύος παρατηρείται στις εξής κατηγορίες : Η περιοχή του πυρήνα, που είναι και το κυριότερο σημείο κατανάλωσης ισχύος της μνήμης. Το τμήμα I/O που καταναλώνει ισχύ κατά τη διάρκεια προφόρτισης, την εναλλαγή πολυπλέκτη, όπως και οι λειτουργιές του ενισχυτή αίσθησης και οδηγού εγγραφής. Τα υπόλοιπα τμήματα που περιλαμβάνουν την προαποκωδικοποιημένη εναλλαγή γραμμής και την εναπομείνασα περιφέρεια. Στην κατάσταση αναμονής, η κατανάλωση ισχύος είναι πολύ χαμηλή και χρησιμοποιείται με σκοπό τη διατήρηση των δεδομένων. Η κύρια πηγή σε αυτή κατάσταση λειτουργίας είναι η διαρροή ρεύματος στο κύτταρο μνήμης, ενώ το στατικό ρεύμα από άλλες πήγες είναι αμελητέο. Επίσης είναι απενεργοποιημένος και ο ενισχυτής αίσθησης. Για να μειωθεί σημαντικά η κατανάλωση ενέργειας στην μνήμη SRAM πρέπει να ελέγξουμε όλους τους συντελεστές που συμβάλλουν στη συνολική κατανάλωση ισχύος. Μια κοινή τεχνική που χρησιμοποιείται συχνά σε μνήμες μεγάλης χωρητικότητας ονομάζεται Divided Word Line (DWL), η οποία υιοθετεί έναν αποκωδικοποιητή γραμμής με δομή δυο σταδίων, όπως απεικονίζεται και στο ακόλουθο σχήμα 2.12. - 23 - Σχήμα 2.12
Ο αριθμός των υπογραμμών λέξης που συνδέονται με μια κύρια γραμμή λέξης στην κατεύθυνση των δεδομένων είναι τέσσερις, υποκαθιστώντας την περιοχή του κεντρικού αποκωδικοποιητή σειράς με την περιοχή ενός τοπικού αποκωδικοποιητή σειράς. Η Divided Word Line παρουσιάζει δυο βήματα αποκωδικοποίησης για την συλλογή μιας γραμμής λέξης, μειώνοντας σημαντικά την χωρητικότητα των γραμμών διεύθυνσης και την καθυστέρηση RC της γραμμής λέξης. Μερικές άλλες τεχνικές που χρησιμοποιούνται συνήθως για τη μείωση της κατανάλωσης ισχύος μνήμης, άλλα παρέχουν επίσης βελτίωση της αποδοτικότητας του συστήματος, ενίσχυση της αξιοπιστίας καθώς και μείωση του συνολικού κόστους είναι : Μείωση συνεχούς ρεύματος (Direct Current) με τη χρήση νέων μεθόδων λειτουργιάς παλμού για τη γραμμή λέξης, τα περιφερειακά κυκλώματα και τους ενισχυτές αίσθησης. Μείωση εναλλασσόμενου ρεύματος (Alternative Current) με τη χρήση νέων τεχνικών αποκωδικοποίησης (π.χ.: πολυεπίπεδη στατική αποκωδικοποίηση CMOS). Μείωση τάσης λειτουργίας, η οποία απαιτεί βελτίωση των περιφερειακών κυκλωμάτων αναλόγως. Μείωση διαρροής ρεύματος, και στις δυο καταστάσεις (ενεργή/αναμονή), με τη χρήση κατωφλιού πολλαπλής τάσης (MT-CMOS), ή με χρήση εναλλασσόμενης τάσης (VT-CMOS). Εφαρμογές Πλεονεκτήματα SRAM Μειονεκτήματα SRAM Υψηλό περιθώριο θορύβου Χαμηλή έκλυση ενέργειας Χωρίς ανάγκη ανανέωσης κύτταρου μνήμης Δυνατότητα λειτουργίας σε υψηλές ταχύτητες μεταγωγής, καθιστώντας την ιδανική για χρήση σε εφαρμογές υψηλής συχνότητας Γρηγορότερη από DRAM, λόγω παρουσίας διαφορικού ζεύγους Bit Line Διατήρηση δεδομένων σε χαμηλή τάση ρεύματος Κατέχουν πολύ χαμηλή πυκνότητα Μεγάλο κόστος κατασκευής Μικρότερης χωρητικότητας σε σχέση με DRAM - 24 -
Τέλος, μερικές εφαρμογές οπού απευθύνονται οι μνήμες SRAM χάρη στην υψηλή ταχύτητα τους και την πυκνότητά τους είναι : Digital Audio/Video Players LCD οθόνες και εκτυπωτές, κάνουν χρήση μνήμης SRAM με σκοπό να διατηρήσουν την εικόνα που απεικονίζεται Προσωπικοί υπολογιστές, σταθμοί εργασίας, σκληροί δίσκοι, εσωτερική cache CPU, ενσωματωμένες μνήμες cache, routers, modems, κινητά τηλέφωνα, ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές, synthesizers Εφαρμογές επεξεργασίας βίντεο, διαστημικές εφαρμογές SRAM buffers, βρίσκονται και σε CD-ROM / CD-RW, συνήθως 256 KB ή περισσότερο και χρησιμεύουν για τη ρύθμιση δεδομένων, που μεταφέρονται ως κομμάτια και όχι ως μεμονωμένες τιμές. 2.5 Εξέλιξη των SRAM s Την σημερινή εποχή που οι απαιτήσεις είναι πάρα πολύ υψηλές, οι γρήγοροι χρόνοι προσπέλασης στη μνήμη είναι απαραίτητοι για να καλύψουν τον μεγάλο φόρτο εργασίας που υπάρχει στους υπολογιστές και στους σταθμούς εργασίας (work stations). Με πολλούς χρήστες υπολογιστών και σταθμών εργασίας συνδεδεμένος σε τοπικά δίκτυα (Local Area Networks - LAN) και δίκτυα ευρείας περιοχής (Wide Area Network - WAN), καθιστούν αναγκαία τη γρήγορη προσπέλαση της μνήμης. Η τεχνολογία CMOS προχωράει με πολύ γρήγορους ρυθμούς και και πολλοί ερευνητές ανά τον κόσμο έχουμε αντιμετωπίσουν τα διάφορα προβλήματα που συνοδεύουν κάθε κλιμάκωση του μεγέθους των τρανζίστορ, η οποία στις μέρες μας έχει επηρεάσει τις μνήμες SRAM που χρησιμοποιούνται ευρέως σε πολλά ψηφιακά κυκλώματα. Αυτό συμβαίνει επειδή το κύτταρο μνήμης SRAM χρησιμοποιεί σε καθε τεχνολογική γενιά το μικρότερο μέγεθος τρανζίστορ προσπαθώντας να επιτύχει ένα μικρότερου μεγέθους chip, καταφέρνοντας κάθε φορά να συρρικνωθεί κατά περίπου 50%. Τέλος, παράγοντες όπως η κατανάλωση ενέργειας, ο χρόνος πρόσβασης ανάγνωσης και εγγραφής, καθώς και η αξιοπιστία των ολοκληρωμένων ψηφιακών συστημάτων θα αποτελούν καθ όλη την εξέλιξη των SRAM s σημαντικές προκλήσεις για την αποτελεσματικότερη σχεδίαση τους. [2] [9] - 25 -
3. Σχεδίαση και Προσομοίωση Κυκλωμάτων SRAM Η σχεδίαση και η προσομοίωση των κυκλωμάτων που θα παρουσιαστούν στη συνεχεία του κεφάλαιου, δηλαδή το κύτταρο μνήμης SRAM 6-T και η μνήμη SRAM 64-bit, έγιναν με χρήση του προγράμματος Microwind 3.5. 3.1 Το Περιβάλλον Microwind Το πρόγραμμα Microwind είναι ένα εργαλείο επεξεργασίας και εξομοίωσης κυκλωμάτων CMOS σε επίπεδο διάταξης (Layout). Η Κατασκευή του περιβάλλοντος αυτού χρειάστηκε περίπου οκτώ χρόνια για να ολοκληρωθεί από τον Γάλλο δημιουργό του Sicard Etienne. Tο Microwind είναι διαθέσιμο και για εκπαιδευτικούς σκοπούς (Lite Version), καθώς συγκεντρώνει ένα σύνολο χαρακτηριστικών και εργαλείων που προσφέρουν εξοικείωση σε όλα τα βήματα σχεδίασης και εξομοίωσης ενός κυκλώματος. Στον ακόλουθο σχήμα 3.1 παρουσιάζεται ένα στιγμιότυπο από το περιβάλλον του Microwind. Στιγμιότυπο Περιβάλλοντος Microwind Σχήμα 3.1-26 -
Το Microwind επιτρέπει στο χρήστη να ζωγραφίσει τη διάταξη του κυκλώματος που επιθυμεί, χρησιμοποιώντας μια παλέτα, η οποία απεικονίζεται το σχήμα 3.2 και περιέχει όλες τις δυνατές επιστρώσεις που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή μικροηλεκτρονικών διατάξεων και κυκλωμάτων. Αφού ολοκληρωθεί η σχεδίαση του κυκλώματος, ακολουθεί η φάση της εξομοίωσης για την επαλήθευση της ορθής λειτουργίας του. Όσον αφορά τη διαδικασία εξομοίωσης του κυκλώματος, το Microwind προσφέρει τη δυνατότητα επιλογής μέσα από τρία μοντέλα εξομοίωσης, τα οποία αναφέρονται ως : μοντέλο επιπέδου 1, μοντέλο επιπέδου 3 και το πιο πρόσφατο BSIM 4 και θα περιγραφτούν αναλυτικότερα σε επόμενη ενότητα. Η εξομοίωση ελέγχεται από ιδιότητες, όπως γειώσεις, ρεύματα, ρολόγια, κλπ τα οποία τοποθετούνται απευθείας πάνω στο σχέδιο, δίνοντας επίσης τη δυνατότητα επισκόπησης του κυκλώματος σε δύο ή και τρεις διαστάσεις. Παρόλο που το Microwind δεν υποστηρίζει τη σχεδίαση ιδιαίτερα πολύπλοκων κυκλωμάτων και δεν συμπεριλαμβάνει όλες τις πιθανές τεχνολογικές επιλογές και κατευθύνσεις, αποτελεί μια άριστη λύση για επεξεργασία κυκλωμάτων CMOS, για αξιόπιστη εκτίμηση λειτουργικότητας καθώς και για δημιουργία μικρού μεγέθους πρωτότυπων κυκλωμάτων. Τέλος μπορούν να γίνουν πολύ εύκολα συγκρίσεις Σχήμα 3.2 ανάμεσα στις διάφορες τεχνολογίες σχεδίασης από τα 1,2μm μέχρι και 22nm, εξομοιώνοντας τη λειτουργία ενός κυκλώματος αλλάζοντας τις αντίστοιχες παραμέτρους και κανόνες σχεδίασης. [7] Η Σειρά Μοντέλων BSIM Παλέτα Περιβάλλοντος Microwind Τα αρχικά BSIM προέρχονται από τις λέξεις Berkeley Short-channel IGFET Model. Συχνά το πρώτο μοντέλο της σειράς BSIM αναφέρεται και ως επίπεδο 4. Ένα από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά το μοντέλο αυτό είναι ότι δίνει λιγότερη έμφαση στην ακριβή φυσική διατύπωση του MOSFET τρανζίστορ, ενώ παράλληλα βασίζεται σε σχετικά λίγες κι απλές παραμέτρους, οι οποίες εξάγονται από πειραματικά δεδομένα. Επίσης, σημαντικό χαρακτηριστικό είναι ότι οι εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για την διαχείριση των διαφόρων φυσικών αποτελεσμάτων του MOSFET είναι πολυωνυμικές. Αυτή η αντιμετώπιση, σε γενικές γραμμές, επιτυγχάνει βελτιωμένη συμπεριφορά στην εξομοίωση των κυκλωμάτων σε σχέση με τα προηγούμενα μοντέλα, παρόλο που η ακρίβεια των αποτελεσμάτων υποβιβάζεται στα MOSFET s τεχνολογίας κάτω του 1μm. Επιπροσθέτως, Ο πολυωνυμικός χαρακτήρας των εξισώσεων στο μοντέλο αυτό, μπορεί να έχει μέτρια συμπεριφορά προκαλώντας αρνητική αγωγιμότητα στην έξοδο και προβλήματα στη σύγκλιση. Το BSIM 2 είναι μια προέκταση του BSIM με ορισμένες τροποποιήσεις που το καθιστούν κατάλληλο για σχεδιασμού αναλογικών κυκλωμάτων. Παρόλο που το BSIM 2 παρουσιάζει σημαντικές βελτιώσεις σε σχέση με το BSIM σε θέματα - 27 -
ακρίβειας και σύγκλισης μεταξύ πειραματικών αποτελεσμάτων και αποτελεσμάτων μοντέλου, εξακολουθεί να γίνεται κερματισμός της λειτουργίας του MOSFET σε διάφορες περιοχές. Αυτό οδηγεί σε ασυνέχεια των αποτελεσμάτων στην πρώτη παράγωγο των χαρακτηριστικών I-V και C-V, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε αριθμητικά προβλήματα κατά την εξομοίωση. Το BSIM 3, με τη βοήθεια ορισμένων συναρτήσεων, δεν επιτυγχάνει την εξομάλυνση της κατάστασης που αναφέρθηκε παραπάνω για το μοντέλο BSIM 2, υιοθετώντας μια ενιαία εξίσωση για την περιγραφή των χαρακτηριστικών του τρανζίστορ MOSFET στις διάφορες περιοχές λειτουργίας. Με αυτόν τον τρόπο, εξαλείφεται η ασυνέχεια στις χαρακτηριστικές I-V και C-V. Πρέπει επίσης να αναφερθεί ότι το BSIM 3 έχει εξελιχθεί μέσα από τρεις εκδόσεις, την BSIM 3v1, την BSIM3v2 και την BSIM3v3. Οι πρώτες δύο αντιμετώπισαν πολλά μαθηματικά προβλήματα και τελικά αντικαταστάθηκαν από την τρίτη έκδοση BSIM3v3. Η τελευταία ανανέωση στα μοντέλα BSIM έγινε με το BSIM 4. Το BSIM 4 βγήκε το έτος 2000, θεωρείται μοντέλο επίπεδο 14, και έχει να προσφέρει αρκετές βελτιώσεις σε σχέση με το προηγούμενο μοντέλο BSIM 3. Οι βελτιώσεις αυτές δεν αφορούν μόνο τα συνήθη προβλήματα με την μοντελοποίηση της χαρακτηριστικής I-V του τρανζίστορ, αλλά και με την μοντελοποίηση του θορύβου του τρανζίστορ καθώς και με την ενσωμάτωση διαφόρων εξωτερικών παρασίτων. Το BSIM 4 εξακολουθεί να χρησιμοποιεί τις περιοχές λειτουργίας παλαιότερων επιπέδων (γραμμική για χαμηλό Vds, κορεσμού για υψηλό Vds και υποκατωφλίου για Vgs<Vt ) αλλά πλέον η συνέχεια μεταξύ των περιοχών είναι εξαιρετική. Επίσης ο αριθμός των παραμέτρων που ορίζονται στο μοντέλο BSIM 4 φτάνει τις 300. Η ακρίβεια και η επάρκεια που χαρακτηρίζουν το μοντέλο BSIM είναι αυτές που το κατέστησαν ένα από τα πιο δημοφιλή μοντέλα του MOSFET στο SPICE σήμερα, ιδιαίτερα στη βιομηχανία της Μικροηλεκτρονικής. Οι τελευταίες εκδόσεις του BSIM, με τελευταία αυτή του BSIM 4, χρησιμοποιούνται ευρέως από πολλές εταιρίες κατασκευής ημιαγώγιμων μικρoδιατάξεων για την ακριβή μοντελοποίηση της ηλεκτρικής συμπεριφοράς των MOSFET τεχνολογίας κάτω του 1μm. Σχήμα 3.3 Παράμετροι BSIM 4 και ενδεικτικές τιμές των PMOS NMOS τεχνολογίας 0.12μm - 28 -
Κανόνες και Υλικά Σχεδίασης Τα υλικά που θα χρησιμοποιηθούν, από την παλέτα του Microwind, για την κατασκευή των κυκλωμάτων SRAM είναι τα ακολούθα : Polysilicon (κόκκινο) Ν+ Diffusion (πράσινο) Ρ+ Diffusion (καφέ) Metal 1 (μπλε ανοιχτό) Metal 2 (μπλε σκούρο) Contact Ν+ Diffusion/Metal 1 Contact Ρ+ Diffusion/Metal 2 Contact Metal 1 / Metal 2 Contact Metal / Metal 2 Contact Metal / Polysilicon Ν-well (πράσινο περίγραμμα) Supply Voltage (VDD) Ground Voltage (VSS) Digital Signals (Data,~Data,WL,BL,~BL) Το Microwind λειτουργεί βασιζόμενο σε πλέγμα lamda - λ και όχι σε micro, έτσι ώστε το ίδιο να μπορεί να προσομοιωθεί σε οποιαδήποτε τεχνολογία CMOS. Γι αυτο και σχεδιαστικά οι τιμές του λάμδα είναι αυτές που μας ενδιαφέρουν περισσότερο και χρήζουν ιδιαίτερης προσοχής. Γενικά, η τιμή του λ είναι η μίση του ελάχιστου μήκους της πύλης πολυπυριτίου. Στο ακόλουθο σχήμα 3.4 παρουσιάζονται οι κάνονες σχεδίασης για την τεχνολογία CMOS 32nm, την οποία και θα χρησιμοποιήσουμε για τα κυκλώματα SRAM. Σχήμα 3.4 Πινάκας κανόνων σχεδίασης τεχνολογίας CMOS 32nm - 29 -
3.2 Σχεδίαση και Προσομοίωση Κυττάρου Μνήμης SRAM 6-T Στην παρούσα ενότητα θα σχεδιαστεί και θα προσομοιωθεί, σε τεχνολογία CMOS 32nm, στο περιβάλλον Microwind το κύτταρο μνήμης SRAM 6-T, το οποίο παρουσιάστηκε στην εικόνα 2.1 και αναλύθηκε λεπτομερώς στο προηγούμενο κεφάλαιο. I. Αρχικά επιλέγουμε από την παλέτα το polysilicon (πολυπυρίτιο) και σχεδιάζουμε 4 κάθετες λωρίδες μήκους 2λ, οι οποίες θα είναι οι 2 πλάτους 17λ και οι άλλες 2 πλάτους 34λ. II.Επιλέγουμε από την παλέτα τη n-diffusion (nδιάχυση) και σχεδιάζουμε ένα παραλληλόγραμμο πλάτους 6λ και μήκους 37λ, το οποίο θα τέμνεται με τις λωρίδες πολυπυρίτιου, στο κάτω μέρος του κυκλώματος. Σχεδίαση κυττάρου μνήμης SRAM 6-T [1] III.Επιλέγουμε από την παλέτα τη p-diffusion (pδιάχυση) και σχεδιάζουμε ένα παραλληλόγραμμο πλάτους 4λ και μήκους 20λ, το οποίο θα τέμνεται με τις λωρίδες του πολυπυριτίου, στο πάνω μέρος του κυκλώματος. Σχήμα 3.5 [α] IV.Στο δεύτερο στάδιο της σχεδίασης, επιλέγουμε από τη παλέτα το metal 2 και σχεδιάζουμε δυο παραλληλόγραμμα, μήκους 3λ, δέξια και αριστερά του κυκλώματος. - 30 -
Σχήμα 3.5 [β] Σχεδίαση κυττάρου μνήμης SRAM 6-T [2] V.Επιλέγουμε από τη παλέτα το metal 3 και σχεδιάζουμε τρία παραλληλόγραμμα, πλάτους 4λ, από τα οποία το ένα θα βρίσκεται πάνω ακριβώς στη p-diffusion, και κατά μήκος της, και τα άλλα δυο θα βρίσκονται πάνω και κάτω από τη n- diffusion. VI.Επιλέγουμε από τη παλέτα το Ν-Well και σχεδιάζουμε ένα παραλληλόγραμμο που περιβάλλει το πάνω μέρος του κυκλώματος. VII.Στο τρίτο στάδιο της σχεδίασης, επιλέγουμε από τη παλέτα τη N-contact και τοποθετούμε έξι από αυτές στο κύκλωμα, πέντε θα βρίσκονται πάνω στη n- diffusion και μία πάνω από τη p-diffusion. VIII.Επιλέγουμε από τη παλέτα τη P-contact και τοποθετούμε τέσσερις από αυτές στο κύκλωμα, οι τρεις θα βρίσκονται πάνω στη p-diffusion και η μία κάτω από τη n- diffusion. IX.Επιλέγεται από τη παλέτα τη Metal / Polysilicon contact και τοποθετούμε τέσσερις από αυτές στο κύκλωμα, οι δυο κάτω από τη n- diffusion και πάνω στο metal 3, και οι άλλες δυο ενδιάμεσα από τα - 31 - Σχεδίαση κυττάρου μνήμης SRAM 6-T [3] Σχήμα 3.5 [γ]
παραλληλόγραμμα του πολυπυριτίου, στο κέντρο του κυκλώματος. X.Στο τέταρτο στάδιο της σχεδίασης, επιλέγουμε από τη παλέτα τη Metal / Metal 2 contact και τοποθετούμε πάνω στις 2 κάτω Metal / Polysilicon contacts, πάνω από τη μεσαία p-contact στο p-diffusion και στις 2 ακριανές n-contacts πάνω στη n-diffusion. XI.Επιλέγουμε το Metal 1 και ενώνουμε τα εσωτερικά μέρη του κυκλώματος, όπως απεικονίζεται στο διπλανό σχήμα 3.5 [δ]. XII. Στο τελευταίο στάδιο της σχεδίασης, Σχεδίαση κυττάρου μνήμης SRAM 6-T [4] τοποθετούναι οι επιγραφές του κυκλώματος. Τοποθετούμε τη VDD, με τάση τροφοδοσίας 0.8V, πάνω στο παραλληλόγραμμο Metal 3 και Σχήμα 3.5 [δ] τη VSS, με τάση γείωσης 0V, επάνω στο μεσαίο παραλληλόγραμμο Metal 3. Στη συνεχεία τοποθετούμε τα Data και ~Data στα δυο κεντρικά παραλληλόγραμμα πολυπυριτίου, καθώς και τις Bit Line και ~Bit Line στα ακριανά παραλληλόγραμμα Metal 2, με ακολουθίες PWL 01x01xxx και PWL 10x10xxx αντιστοίχως. Τέλος, τοποθετούμε τη Word Line, επάνω στο κάτω παραλληλόγραμμο Metal 3, με παλμό ρολογιού TimeLow, RiseTime, TimeHigh, FallTime, τιμών 0.480ns, 0.020ns, 0.480ns, 0.020ns αντιστοίχως. Το τελικό layout του κύτταρου μνήμης SRAM 6-Τ απεικονίζεται στη στο επόμενο σχήμα 3.6. - 32 -
Κύτταρο Μνήμης SRAM 6-T Σχήμα 3.6-33 -
Στη συνεχεία, όπως απεικονίζεται στο σχήμα 3.7, παρουσιάζεται η προσομοίωση που έγινε στο κύτταρο μνήμης SRAM 6-T. Η διαδικασία που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση λειτουργιάς του κύτταρο μνήμης SRAM, είναι η αρχική έγγραφη των τιμών 0 και 1, και στη συνεχεία ακολουθεί η ανάγνωση της τιμής 1. Προσομοίωση κυττάρου Μνήμης SRAM 6-T Σχήμα 3.7 Αναλυτικότερα για την προσομοίωση του κύτταρου μνήμης 6-Τ, αυτό που παρατηρούμε είναι ότι κατά τη χρονική περίοδο 0.0ns το Data, μετά από μια ασταθή περίοδο, φτάνει στη τιμή 1, και το ~Data τη τιμή 0. Στην χρονική στιγμή 0.5ns το κύτταρο ενεργοποιείται από τη Word Line με τη λογική τιμή 1. Εκείνη τη χρονική στιγμή, και επειδή η Bit Line έχει την λογική τιμή 0, στη μνήμη εγγράφεται η τιμή 0., που το παρατηρούμε στη γραμμή δεδομένων Data που αποκτά τη λογική τιμή 0. Αντιστοίχως, στη ~Bit Line και ~Data υπάρχει η λογική τιμή 1. Στη συνεχεία, χρονική στιγμή 1,5ns, στο δεύτερο παλμό της Word Line, εγγράφεται η τιμή 1 στο Data. Τελος, ακολουθεί η διαδικασία ανάγνωσης της λογικής τιμής 1, στο διάστημα 2-3ns, οπού οι Bit Lines βρίσκονται στη κατάσταση x - floating value και τα Data, ~Data βρίσκονται σταθερά στις 1 και 0 αντιστοίχως. Η κατανάλωση ισχύος του κύτταρου μνήμης SRAM βρίσκεται στα P = 0.371μW. - 34 -