7-存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)匯總

7-存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)匯總第一頁(yè)，共61頁(yè)。本章重點(diǎn)存儲(chǔ)器的分類(lèi)和結(jié)構(gòu)只讀、非易失性及讀寫(xiě)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元外圍電路——靈敏放大器、譯碼器、驅(qū)動(dòng)器和時(shí)序產(chǎn)生器存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)中的功耗和可靠性問(wèn)題存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).1第二頁(yè)，共61頁(yè)。12.1引言密集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路是數(shù)字電路或系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的主要考慮之一將存儲(chǔ)單元組成大的陣列，這可以使外圍電路的開(kāi)銷(xiāo)最小并增加存儲(chǔ)密度本章的意義在于它應(yīng)用了大量前幾章中介紹過(guò)的電路技術(shù)存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)可以看成一個(gè)高性能、高密度和低功耗電路的設(shè)計(jì)實(shí)例存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).2第三頁(yè)，共61頁(yè)。12.1.1存儲(chǔ)器分類(lèi)時(shí)序參數(shù)讀出時(shí)間/寫(xiě)入時(shí)間/讀周期/寫(xiě)周期存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).3第四頁(yè)，共61頁(yè)。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器分類(lèi)Read-WriteMemoryNon-VolatileRead-Write

MemoryRead-OnlyMemoryEPROME2PROMFLASHRandomAccessNon-RandomAccessSRAMDRAMMask-ProgrammedProgrammable(PROM)FIFOShiftRegisterCAMLIFO存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).4第五頁(yè)，共61頁(yè)。12.1.2存儲(chǔ)器總體結(jié)構(gòu)和單元模塊Word0Word1Word2WordN22WordN21StoragecellMbitsMbitsNwordsS0S1S2SN22A0A1AK21K5log2NSN21Word0Word1Word2WordN22WordN21StoragecellS0Input-Output(Mbits)IntuitivearchitectureforNxMmemoryToomanyselectsignals:Nwords==NselectsignalsK=log2NDecoderreducesthenumberofselectsignalsInput-Output(Mbits)Decoder存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).5第六頁(yè)，共61頁(yè)。存儲(chǔ)陣列Problem:ASPECTRATIOorHEIGHT>>WIDTHAmplifyswingtorail-to-railamplitudeSelectsappropriateword存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).6第七頁(yè)，共61頁(yè)。層次化的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：1、本地字線和位線的長(zhǎng)度較短2、快地址只用來(lái)激活被尋址的塊節(jié)省功耗存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).7第八頁(yè)，共61頁(yè)。SubglobalrowdecoderGlobalrowdecoderSubglobalrowdecoderBlock30Block31128KArrayBlock0Block1ClockgeneratorCS,WEbufferI/ObufferY-addressbufferX-addressbufferx1/x4controllerZ-addressbufferX-addressbufferPredecoderandblockselectorBitlineloadTransfergateColumndecoderSenseamplifierandwritedriverLocalrowdecoder[Hirose90]

例12.2層次化的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).8第九頁(yè)，共61頁(yè)。CAM存儲(chǔ)器支持3種工作模式：讀、寫(xiě)和匹配存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).9第十頁(yè)，共61頁(yè)。存儲(chǔ)器時(shí)序DRAM時(shí)序多路分時(shí)尋址技術(shù)SRAM時(shí)序自定時(shí)技術(shù)存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).10第十一頁(yè)，共61頁(yè)。12.2存儲(chǔ)器內(nèi)核只讀存儲(chǔ)器NORROM/NANDROM非易失性讀寫(xiě)存儲(chǔ)器EPROM/EEPROM/Flash讀寫(xiě)存儲(chǔ)器SRAM/DRAM存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).11第十二頁(yè)，共61頁(yè)。12.2.1只讀存儲(chǔ)器工作原理優(yōu)缺點(diǎn)比較WLBLWLBL1WLBLWLBLWLBL0VDDWLBLGND二極管ROMMOSROM1MOSROM2圖12.9ROM的1和0單元的不同實(shí)現(xiàn)方式存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).12第十三頁(yè)，共61頁(yè)。思考題12.1MOSNORROM陣列確定圖12.10的ROM中存放在地址0、1、2和3處的數(shù)據(jù)值注意：圖中如何使電源線在相鄰單元之間共享而減少了它們的用量WL[0]VDDBL[0]WL[1]WL[2]WL[3]VbiasBL[1]Pull-downloadsBL[2]BL[3]VDD存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).13第十四頁(yè)，共61頁(yè)。思考題12.2MOSNORROM存儲(chǔ)器陣列確定圖12.11的ROM中存放在地址0、1、2和3處的數(shù)據(jù)值WL[0]GNDBL[0]WL[1]WL[2]WL[3]VDDBL[1]Pull-updevicesBL[2]BL[3]GND存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).14第十五頁(yè)，共61頁(yè)。ROM存儲(chǔ)器編程存儲(chǔ)單元和上拉晶體管尺寸的問(wèn)題噪聲容限換取性能ACTIVE和CONTACT編程方式的比較Cell注意在布線GND信號(hào)時(shí)采用了擴(kuò)散區(qū)PolysiliconMetal1DiffusionMetal1onDiffusion存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).15第十六頁(yè)，共61頁(yè)。單元的大部分面積用于位線接觸和接地連接解決方案：采用不同的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

未被選中的行，字線全部為高電平WL[0]WL[1]WL[2]WL[3]VDDPull-updevicesBL[3]BL[2]BL[1]BL[0]思考題12.31MOSNANDROM確定圖12.13的ROM中存放在地址0、1、2和3處的數(shù)據(jù)值存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).16第十七頁(yè)，共61頁(yè)。NAND結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)(a)采用Metal-1層編程(b)采用降低閾值注入CellPolysiliconMetal1DiffusionMetal1onDiffusion存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).17第十八頁(yè)，共61頁(yè)。思考題12.3NOR和NANDROM的電壓擺幅假設(shè)圖12.12和圖12.14中的版圖采用我們標(biāo)準(zhǔn)的0.25mCMOS工藝實(shí)現(xiàn)，確定PMOS上拉器件的尺寸使最壞情況下VOL1.5V(VDD=2.5V)。這相當(dāng)于字線擺幅為1V。確定88和512512陣列的值1.NORROM因?yàn)槊看巫疃嘀挥幸粋€(gè)晶體管可以導(dǎo)通，所以VOL的值與陣列尺寸無(wú)關(guān)，也與陣列編程無(wú)關(guān)。所要求的PMOS器件的尺寸(W/L)p=5.242.NANDROM由于是串聯(lián)鏈，VOL的值與存儲(chǔ)器尺寸(行數(shù))及編程都有關(guān)對(duì)于(88)陣列：=0.49對(duì)于(512512)陣列：=0.0077所以，NANDROM很少用于8行或16行以上的陣列中存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).18第十九頁(yè)，共61頁(yè)。思考題12.4字線和位線的寄生參數(shù)考慮512512陣列的情形1.NORROM

字線寄生參數(shù)

線電容和柵電容線電阻(多晶硅)

位線寄生參數(shù)

電阻不起作用(鋁線)

漏電容和柵漏電容ROM的瞬態(tài)性能瞬態(tài)響應(yīng)的定義存儲(chǔ)陣列的大部分延時(shí)來(lái)自互連寄生參數(shù)VDDCbitrwordcwordWLBL存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).19第二十頁(yè)，共61頁(yè)。2.NANDROM

字線寄生參數(shù)

同NORROM

位線寄生參數(shù)

串聯(lián)晶體管鏈的電阻漏/源和整個(gè)柵電容VDDCLrwordcwordcbitrbitWLBL存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).20第二十一頁(yè)，共61頁(yè)。例12.5一個(gè)512512NORROM的傳播延時(shí)1.含有M個(gè)單元的分布rc線的字線延時(shí)

tword=0.38(rwordcword)M2=0.38(17.5Ω(0.049+0.75)fF)5122=1.4ns2.對(duì)于位線，它的響應(yīng)時(shí)間取決于翻轉(zhuǎn)方向。假設(shè)有一個(gè)(0.5/0.25)下拉器件和一個(gè)(1.3125/0.25)上拉晶體管

Cbit=512(0.8+0.009)fF=0.46pFtHL=0.69(13kΩ/2||31kΩ/5.25)0.46pF=0.98nstHL=0.69(31kΩ/5.25)0.46pF=1.87ns說(shuō)明：字線延時(shí)起主要作用。它幾乎全部來(lái)自多晶線的大電阻利用計(jì)算數(shù)據(jù)和等效模型，可以推導(dǎo)出存儲(chǔ)器內(nèi)核及其部件的傳播延時(shí)的估計(jì)值解決字線延時(shí)問(wèn)題從兩端驅(qū)動(dòng)地址線和采用金屬旁路線仔細(xì)分割存儲(chǔ)器成許多尺寸合適的子塊以均衡字線和位線的延時(shí)存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).21第二十二頁(yè)，共61頁(yè)。例12.6一個(gè)512512NANDROM的傳播延時(shí)1.字線延時(shí)與NOR的情況相似

tword=0.38(rwordcword)M2=0.38(15Ω(0.049+0.56)fF)5122=1.3ns2.關(guān)于位線延時(shí)，最壞情況發(fā)生在當(dāng)整個(gè)一列除一個(gè)單元以外都存放0并且最下面的晶體管導(dǎo)通時(shí)。(忽略上拉晶體管的影響)tHL=0.388.7kΩ0.85fF5112=0.73stLH=0.69(31kΩ/0.0077)(5110.85fF)=1.2s說(shuō)明：這些延時(shí)在大多數(shù)情況下顯然是不能接受的。把存儲(chǔ)器分割成較小的模塊似乎是唯一合理的選擇存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).22第二十三頁(yè)，共61頁(yè)。功耗與預(yù)充電的存儲(chǔ)陣列NAND和NOR結(jié)構(gòu)繼承了偽NMOS門(mén)的所有缺點(diǎn)：有比邏輯VOL是由上拉和下拉器件的尺寸比決定的靜態(tài)功耗當(dāng)輸出為低電平時(shí)，在電源軌線之間存在靜態(tài)電流通路例12.7NORROM的靜態(tài)功耗考慮(512512)NORROM的情況?？梢院侠淼丶僭O(shè)平均有50％的輸出是低電平。假設(shè)靜態(tài)電流大約等于0.21mA(輸出電壓為1.5V時(shí))。這意味著在沒(méi)有任何操作時(shí)，總靜態(tài)功耗為(512/2)0.21mA2.5V=0.14W存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).23第二十四頁(yè)，共61頁(yè)。解決方案：采用預(yù)充電邏輯WL[0]GNDBL[0]WL[1]WL[2]WL[3]VDDBL[1]PrechargedevicesBL[2]BL[3]GNDpreφPMOS預(yù)充電器件的尺寸可以按需要設(shè)計(jì)得較大，而時(shí)鐘的設(shè)計(jì)變得更加困難存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).24第二十五頁(yè)，共61頁(yè)。12.2.2非易失性讀寫(xiě)存儲(chǔ)器浮柵晶體管多了一個(gè)額外的多晶硅條插在柵和溝道之間，因而稱(chēng)為浮柵FloatinggateSourceSubstrateGateDrainn+n+_ptoxtoxGSD器件截面圖電路符號(hào)存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).25第二十六頁(yè)，共61頁(yè)。它的閾值電壓是可編程的0V5V0VDS5V2.5V5VDS20V10V5V20VDS雪崩注入移去編程電壓后電荷仍被捕獲編程形成了較高的閾值VT由于浮柵為SiO2所包圍，而SiO2是一個(gè)極好的絕緣體，所以被捕獲的電荷可以在浮柵上存放許多年，即使在電源電壓被移去之后也是如此，這就是易失性存儲(chǔ)的機(jī)理存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).26第二十七頁(yè)，共61頁(yè)?？刹脸删幊讨蛔x存儲(chǔ)器(EPROM)優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密度極高、可以低成本來(lái)生產(chǎn)大容量存儲(chǔ)器缺點(diǎn)擦除過(guò)程慢、有限的耐久性、編程過(guò)程功耗很大擦除過(guò)程必須在“系統(tǒng)外”進(jìn)行存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).27第二十八頁(yè)，共61頁(yè)。電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)FloatinggateSourceSubstratepGateDrainn1n120–30nm10nm-10V10VIVGDWLBLVDD存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).28第二十九頁(yè)，共61頁(yè)?？扉W電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(Flash)應(yīng)用最普遍的非易失性存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)是EPROM和EEPROM方法的組合一次擦除許多存儲(chǔ)單元——Flash概念的來(lái)源Controlgateerasurep-substrateFloatinggateThintunnelingoxiden1sourcen1drainprogramming存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).29第三十頁(yè)，共61頁(yè)。NORFlash存儲(chǔ)器的基本操作A.擦除操作存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).30第三十一頁(yè)，共61頁(yè)。NORFlash存儲(chǔ)器的基本操作B.寫(xiě)操作存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).31第三十二頁(yè)，共61頁(yè)。NORFlash存儲(chǔ)器的基本操作C.讀操作存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).32第三十三頁(yè)，共61頁(yè)。非易失性存儲(chǔ)器的新趨勢(shì)多位存儲(chǔ)的非易失性存儲(chǔ)器FRAMMRAM非易失性讀寫(xiě)存儲(chǔ)器——小結(jié)存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).33第三十四頁(yè)，共61頁(yè)。12.2.3讀寫(xiě)存儲(chǔ)器(RAM)靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)WLBLVDDM5M6M4M1M2M3BLQQ存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).34第三十五頁(yè)，共61頁(yè)。例題12.8CMOSSRAM——讀操作WLBLVDDM5M6M4M1VDDVDDVDDBLQ=1Q=0CbitCbit存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).35第三十六頁(yè)，共61頁(yè)。000.20.40.60.811.20.5Voltagerise[V]11.21.52CellRatio(CR)2.53VoltageRise(V)CMOSSRAM分析(讀操作)存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).36第三十七頁(yè)，共61頁(yè)。例題12.9CMOSSRAM——寫(xiě)操作BL=1BL=0Q=0Q=1M1M4M5M6VDDVDDWL存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).37第三十八頁(yè)，共61頁(yè)。CMOSSRAM分析(寫(xiě)操作)存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).38第三十九頁(yè)，共61頁(yè)。SRAM單元的性能VDDGNDQQWLBLBLM1M3M4M2M5M6六管CMOSSRAM存儲(chǔ)器單元的版圖存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).39第四十頁(yè)，共61頁(yè)。M3RLRLVDDWLQQM1M2M4BLBL電阻負(fù)載SRAM單元(四管CMOSSRAM）存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).40第四十一頁(yè)，共61頁(yè)。動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)WWLBL1M1XM3M2CSBL2RWLVDDVDD2VTDVVDD2VTBL2BL1XRWLWWL三管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).41第四十二頁(yè)，共61頁(yè)。BL2BL1GNDRWLWWLM3M2M1三管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元的版圖例子存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).42第四十三頁(yè)，共61頁(yè)。單管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).43第四十四頁(yè)，共61頁(yè)。DV(1)V(1)V(0)tVPREVBLSenseampactivatedWordlineactivated敏感放大器操作讀操作期間的位線電壓波形存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).44第四十五頁(yè)，共61頁(yè)。M1wordlineDiffusedbitlinePolysilicongatePolysiliconplateCapacitorMetalwordlinePolySiO2FieldOxiden+n+InversionlayerinducedbyplatebiasPoly采用多晶硅擴(kuò)散電容作為存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的1TDRAM單元A.截面圖B.版圖存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).45第四十六頁(yè)，共61頁(yè)。先進(jìn)的1TDRAM存儲(chǔ)單元CellPlateSiCapacitorInsulatorStorageNodePoly2ndFieldOxideRefillingPolySiSubstrateCapacitordielectriclayerCellplateWordlineInsulatingLayerIsolationTransfergateStorageelectrodeA.溝槽電容單元B.堆疊電容單元存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).46第四十七頁(yè)，共61頁(yè)。12.2.4按內(nèi)容尋址或相聯(lián)存儲(chǔ)器(CAM)除存儲(chǔ)數(shù)據(jù)外，它還能有效地將所有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)與新輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較CAMBitWordBit???CAMBitBitCAMWordWired-NORMatchLineMatchM1M2M7M6M4M5M8M9M3intSWord???CAMBitBitS9管CAM單元存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).47第四十八頁(yè)，共61頁(yè)。AddressDecoderHitLogicCAMARRAYInputDriversTagHitAddressSRAMARRAYSenseAmps/InputDriversDataR/W例12.11相聯(lián)存儲(chǔ)器在高速緩存中的應(yīng)用存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).48第四十九頁(yè)，共61頁(yè)。12.6存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)的實(shí)例研究12.6.1可編程邏輯陣列GNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDVDDX0X0X1f0f1X1X2X2AND-planeOR-planeVDD圖12.74偽NMOSPLA存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).49第五十頁(yè)，共61頁(yè)。GNDGNDVDDφANDAND-planeOR-planeφANDX0X0X1X1X2X2VDDφORφORf0f1圖12.75PLA的動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).50第五十一頁(yè)，共61頁(yè)。tpretevalDummyANDrowDummyANDrowφORφANDφφORφANDφANDφA.時(shí)鐘信號(hào)B.時(shí)序產(chǎn)生電路圖12.76自定時(shí)動(dòng)態(tài)PLA時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).51第五十二頁(yè)，共61頁(yè)。12.6.24MbSRAM圖12.77分級(jí)字線選擇技術(shù)存儲(chǔ)器和陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).52第五十三頁(yè)，共61頁(yè)。Bit-lineloadBlo