بخشی از مقاله
چکیده -
حافظه های غیر فرار، یک تراشه را قادر به حفظ اطلاعات بعد از زمان خاموشی نیز می کنند. این حافظه غیرفرار می تواند از طریق تکنولوژی حافظه ممریستور حاصل شود، که یک تکنولوژی نو ظهور امیدوار کننده با خواص منحصر به فرد مانند چگالی بالا، کم توان و مقیاس پذیری خوب است. این مقاله شامل مطالعه ای پیرامون ممریستور است و همچنین سلول حافظه غیر فرار 8 ترانزیستوری را پیشنهاد می دهد.
سلول حاضر، ترکیب حافظه SRAM مدل سینک با یک ممریستور که اطلاعات روی حافظه را ذخیره می کند و یک سوئیچ که در زمان قطع منبع تغذیه، به بازیابی داده ذخیره شده کمک می کند، می باشد. این طراحی در مقایسه با سلول های حافظه 6 و 10 ترانزیستوری دو برابر پایداری در خواندن آن افزایش یافته و 36درصد توانایی نوشتن آن در ولتاژ های پایین بهبود یافته است، همچنین با اضافه کردن ممریستور حدود 10درصد حاشیه نویز استاتیکی در مقایسه به سلول حافظه سینک افزایش یافته است.
-1 مقدمه
کاهش ولتاژ تغذیه یکی از گزینه هایی به منظور کاهش مصرف توان - انرژی - است. با این حال، طراحی فوق العاده کم قدرت حافظه ها با چگالی بالا که در آن ولتاژکاری زیر ولتاژ آستانه ترانزیستورمی باشد، بسیار چالش برانگیز است. این به خاطر کاهش حاشیه نویز استاتیکی - SNM - و افزایش تنوع در طراحی و پارامترهای فرایند است.
در شرایط زیرآستانه، SRAM Static Random Accsess Memory - ، حافظه با دسترسی تصادفی - های شش ترانزیستوری در ولتاژهای پایین به دلیل تخریب حاشیه نویز استاتیکی و کاهش توانایی در عمل نوشتن و افزایش حساسیت، عملکرد سلول پایین می آید. در این مقاله از هفت ترانزیستور تک ورودی و تک خروجی به عنوان سلول حافظه، و یک ترانزیستور و ممریستور برای تبدیل SRAM به non-volatile SRAM - NVSRAM ، حافظه غیرفرار - استفاده شده است. این ساختار در مقایسه با سلول شش ترانزیستوری و سلول ده ترانزیستوری دارای پایداری خواندن و توانایی نوشتن بهتری می باشد.
بخش دوم شامل مرور کلی بر ممریستور و بخش سوم ارائه پیشنهاد سلول حافظه غیر فرار 8 ترانزیستوری و بخش چهارم نتیجه گیری از مقاله می باشد.
-2 ممریستور قراردادی
در سال 1971، لئون چوا از لحاظ تئوری وجود ممریستور را به عنوان چهارمین عنصر بنیادی مدار با استفاده از استدلال تقارن پیش بینی کرد .[1] ممریستور رابطه ای بین بار و شار مغناطیسی به عنوان معادله رو به رو برقرار می کند : . آر.استنلی و تیم او در سال 2008 برای اولین بار به صورت فیزیکی به ممریستور تحقق بخشیدند.[2] ممریستور به صورت گسترده در کاربردهای مصرف پایین، حافظه غیر فرار و مقیاس بندی، جذب شده است
این ویژگی ها به استفاده از ممریستور در زمینه های طراحی حافظه غیر فرار [4]، برنامه های کاربردی [5] neuromorphic، منطق قابل برنامه ریزی [6]، تجزیه و تحلیل مدارهای غیر خطی [7]، مدارهای دیجیتال و آنالوگ، منجر می شود .[8] ماهیت غیر فرار ممریستورها، آن ها را برای تکنولوژی حافظه آینده آماده می سازد. ممریستور مبتنی بر حافظه به عنوان حافظه مقاومتی - RRAM - نامیده می شود، که مزایای متعددی نسبت به حافظه های معمولی را ارائه می دهد. در نتیجه مقدار زیادی اطلاعات می تواند روی تک سلول حافظه ذخیره شود.[9] حافظه مقاومتی در طول حالت آماده به کار برای کاهش مصرف انرژی می تواند خاموش باشد.
مقاومت رابطه ای با ولتاژ و جریان دارد، بار و ولتاژ از طریق ظرفیت و اندوکتانس مربوط به شار و ولتاژ بیان شده اند. با استفاده از استدلال تقارن چوا بدیهی است که یک حلقه ی گم شده ببین شار و بار - - که ممریستور نامیده می شود - - ، وجود دارد.
استروکو و همکاران یک مدل فیزیکی از ممریستور پیشنهاد دادند[2]، که متشکل از یک فیلم نیمه هادی نازک الکتریکی قابل تغییر، که بین دو اتصال فلزی ساندویچ شده است، می باشد - شکل. - 1 فیلم نیمه هادی طول D دارد و شامل دو لایه از فیلم دی اکسید تیتانیوم است. یک لایه TiO2 خالص که دارای مقاومت بالا می باشد، از سوی دیگر لایه که با اکسیژن خلا پر شده دارای هدایت بالا است. متغیر حالت 'W' نشان دهنده عرض منطقه ناخالص شده است - لایه . - TiO2-X هنگامی که یک ولتاژ بایاس خارجی در سراسر ممریستور اعمال می شود، میدان الکتریکی نیز حفره های اکسیژن با بار مثبت در لایه ناخالص شده را دفع می کند و در نتیجه تغییر طول خواهیم داشت [2]، و در نهایت مقاومت کل ممریستورتغییر می کند.
زمانی که منطقه ناخالص شده به طول کامل رسید - به عنوان مثال W / D - = 1، پس از آن مقاومت ممریستور RON می شود. به طور مشابه اگر منطقه بدون ناخالصی به طول کامل گسترش یابد - به عنوان مثال - W / D = 0، پس از آن مقاومت کل به عنوان ROFF می شود. جای خالی اکسیژن ها - حفره ها - در اطراف، به صورت خود به خود حرکت نمی کنند. آنها کاملا ثابت هستند تا زمانی که ولتاژ دوباره اعمال می شود، در نتیجه ساخت ممریستور به صورت غیر فرار است. یک ممریستور کنترل شده بار خطی را می توان به عنوان دو مقاومت - مقاومت منطقه ناخالص و بدون ناخالص - در نظر گرفت [2] به عنوان معادله زیر:
که در اینجا ، مقاومت سرتا سر ممریستور است، و مقاومت حالت OFF و ON هستند به ترتیب. قابلیت تحرک یون های اکسیژن و D طول قطعه قطعه می باشد. رابطه ی بین I-V ممریستور به صورت زیر بیان می شود که در آن مقدار بین 0 و 1 است و به صورت زیر می باشد:
شکل :1 مدل فیزیکی ممریستور
شکل:2 نماد مشخصه مداری ممریستور
شکل 1 ساختار دستگاه و نمادی از ممریستور مورد استفاده در مدارهای الکتریکی و شکل 2 اعمال موج ورودی و مشخصه مداری ممریستور را نشان می دهد.
-3 طراحی سلول 8TNVSRAM پیشنهادی
مدار NVSRAM پیشنهادی در شکل 3 نشان داده شده است. سلول NVSRAM پیشنهادی متشکل از جفت معکوس کننده متقابل INV 1 - و - INV 2، ترانزیستور دسترسی خواندن ونوشتن - T1 - ، و گیت انتقالی - T2 - ، یک ممریستور متصل شده به نقطه Q با پلاریته ی نشان داده شده در شکل 3 و یک ترانزیستورسوئیچ متصل شده به ممریستور می باشد. این سلول پیشنهادی تمام مزایای سلول SRAM شش ترانزیستوری از قبیل خواندن و نوشتن سریع و کار در ولتاژ پایین، را داراست. ممریستور به طور مستقیم به گره ی ذخیره سازی Q برای قادر بودن ذخیره سازی و پشتیبان گیری داده های مکمل، متصل است.
گیت انتقالی - T2 - برای باز کردن اتصال فیدبک بین دو معکوس کننده، INV1 - و - INV2 در طول عمل نوشتن، استفاده می شود. به جای داشتن دو خطوط بیت در سلول 6T SRAM استاندارد، این خطوط توسط یک خط واحد - BL - جایگزین شده است. هردو عملیات خواندن و نوشتن توسط این خط بیت صورت می گیرد. با این حال، خط کلمه - WL - به عملیات نوشتن و خواندن شبیه به سلول 6T SRAM استاندارد کمک می کند. در طول دوره حفظ اطلاعات، خط کلمه - WL - در سطح پایین است و فیدبک قوی بین معکوس کننده های متقابل، توسط گیت انتقالی T2 ارائه شده است.
شکل:4سلول SRAM شش ترانزیستوری
شکل :5سلول NVSRAM هشت ترانزیستوری
-1-3 عملیات نوشتن درسلول 8TNVSRAM پیشنهادی
در طول عمل نوشتن، داده ها بر روی گره ی Q با توجه به سطح ولتاژ روی BL، لچ می شوند و مقاومت ممریستور بسته به ولتاژ نقطه Q، یا در حالت کم - - LRS و یا در حالت بالا - HRS - ، قرار می گیرد.[10] در طرح پیشنهادی، به جای تضعیف معکوس کننده های متقابل، فیدبک بین معکوس کننده ها از طریق یک گیت انتقالی - T2 - به طور کامل متصل و قطع می شود. این راه حل منحصر به فرد، کمک می کند SNM خواندن تقریبا برابربا Hold SNM شود، حتی زمانی که ولتاژ تغذیه سلول کاهش می یابد که در شکل 9 و 10 نشان داده شده است. در عملیات نوشتن WL در سطح بالا قرار می گیرد و فیدبک بین معکوس کننده ها INV1 - و - INV2، قطع شده و نوشتن آغاز می شود.
اتصال و قطع فیدبک از طریق یک گیت انتقالی T2 با سیگنال های کنترل نوشتن مناسب، انجام می شود. هنگامی که یکی از معکوس کننده ها قطع می شود، نقطه ی Q به راحتی در یکی از سطوح 1 یا 0 قرار می گیرد. برای نشان دادن یک عمل نوشتن "0" یا "1" ، در ابتدا فرض می کنیم که گره Q در سطح منطقی "1" - یا - "0" و QB در سطح منطقی "0" - و یا" - "1 قرار دارند. شکل 7 و 8 نمودار زمان بندی شبیه سازی شده برای عملیات نوشتن "0" و "1" را نشان می دهند. در طول زمان نوشتن، خط کلمه - WL - در سطح بالا قرار می گیرد، که خط بیت - BL - به گره Q متصل و فیدبک بین معکوس کننده ها INV1 - و - INV2، با کمک گیت انتقالی T2 قطع می شود. پس از عمل نوشتن، با اتصال فیدبک سلول، سطح ولتاژ کامل در گره Q و QB که در شکل 3 مشخص شده اند، بازیابی می شوند.
