بخشی از مقاله
چکیده :
یکی از بلوك هاي بسیار با اهمیت در سیستم هاي دیجیتال امروزي حافظه هاي SRAM هستند زیرا این بلوك ها در انواع مختلف ریزپردازنده هاي امروزي به عنوان حافظه هاي نهان در حد وسیعی به کار گرفته می شوند. علاوه بر پایداري داده و سرعت خواندن و نوشتن اطلاعات در این حافظه ها، به علت تعداد خیلی زیاد ترانزیستورهاي موجود در این بلوك زیادي دارد. لذا در این مقاله سعی شده است با ارائه یک سلول SRAM جدید، این پارامترها بهبود پیدا کنند.
سلول ارائه شده در این مقاله یک سلول 9 ترانزیستوري جدید است که با چهار سلول 6 ، 7، 8، و 9 ترانزیستوري دیگر ارائه شده در سال هاي اخیر مقایسه شده است.شبیه سازي ها نشان می دهند که توان مصرفی دینامیک و استاتیک سلول پیشنهادي از توان مصرفی دینامیک و استات است در حالی که در هر دو مرحله خواندن و نوشتن از سلولهاي 6، 7 و 8 ترانزیستوري قبلی نیز سریعتر است.
.1 مقدمه
امروزه به علت افزایش زیاد تعداد و چگالی ترانزیستورها در یک تراشه، توان مصرفی یکی از پارامترهاي با اهمیت در سیستم هاي VLSI است و تلاش هاي زیادي در جهت کاهش آن انجام می گیرد. در بسیاري از تراشه هاي الکترونیکی دیجیتال، توان مصرفی بالا منجر به افزایش دماي کار تراشه شده و ضمن کاهش قابلیت اطمینان مدار، خنک کردن تراشه را دشوار و پرهزینه می کند. در سیستمهاي قابل حمل که از یک باتري به عنوان منبع تغذیه استفاده می کنند نیز توان مصرفی بالا ضمن افزایش دماي کار تراشه منجر به کاهش طول عمر باطري نیز می گردد.
یکی از بلوك هاي بسیار با اهمیت در سیستم هاي دیجیتال امروزي حافظه هاي SRAM هستند زیرا این بلوك ها در انواع مختلف ریزپردازنده هاي امروزي کاربرد زیادي دارند. در ریزپردازنده هاي RISC قسمت زیادي از تراشه توسط حافظه هاي نهان اشغال می شود که از نوع SRAM می باشند
ویژگی اصلی این حافظه ها تعداد زیاد سلولهاي مورد استفاده در یک بلوك حافظه است که تعداد ترانزیستورها را به شدت افزایش می دهد. به عنوان مثال در پردازنده چهار هسته اي ایتانیوم با تکنولوژي 65 نانومتر که شامل 2050 میلیون ترانزیستور است، حافظه هاي نهان حدود 1420 میلیون ترانزیستور را به خود اختصاص داده اند. که معادل حدود 70 درصد از کل ترانزیستورهاي تراشه است
در این تراشه تعداد ترانزیستورهاي مربوط به حافظه هاي نهان حدود 3/3 برابر تعداد ترانزیستورهاي مورد استفاده در چهار هسته است. در بسیاري از سیستم هاي VLSI قابل حمل نیز SRAM ها کاربرد وسیعی دارند . با توجه به سهم بسیار بالاي این حافظه ها در اشغال سطح تراشه ها، از نظر توان مصرفی نیز این مدارات به عنوان مدارات پرتوان شناخته می شوند و ضرورت دارد در جهت کاهش توان مصرفی و بهبود سرعت آنها تلاش شود. به همین دلایل در سالهاي گذشته تحقیقات زیادي در این جهت انجام شده است.
انرژي مصرفی در SRAM ها نیز مانند سایر مدارهاي دیجیتال شامل دو مولفه ایستا و پویا است. انرژي مصرفی ایستا به صورت محسوسی به جریان نشتی سلول SRAM وابسته است که این جریان از سه مولفه جریان نشتی زیر آستانه، جریان نشتی گیت، و جریان نشتی پیوند تشکیل شده است. توان دینامیکی در SRAM ها نیز ناشی از شارژ و دشارژ خازن ها در طول فرآیند خواندن و نوشتن است که بخش عمده آن به علت تغییرات ولتاژ خط بیت ها در هنگام نوشتن داده روي سلول یا خواندن محتواي سلول حافظه است
یکی دیگر از شاخص هاي مهم سلول هاي SRAM حاشیه نویز استاتیک - SNM - است که میزان پایداري داده ي ذخیره شده را در سلول در حین فرآیند خواندن نشان می دهد. به عبارت دیگر SNM یک معیاري براي به دست آوردن پایداري خواندن سلول SRAM است که مینیمم ولتاژ نویز DC است که حالت یک سلول را عوض می کند.[7] هر چه مقدار این حاشیه نویز استاتیک افزایش یابد، داده ذخیره شده در سلول از پایداري بیشتري برخوردار است و احتمال خراب شدن داده ي ذخیره شده در سلول کمتر خواهد بود . اما اگر یک سلول SRAM از حاشیه نویز یا SNM کمتري برخوردار باشد، ممکن است داده ي سلول در حین عمل خواندن عوض شود. بنابراین استحکام یک سلول SRAM با مقدار SNM آن مشخص می شود.
این مقاله نتیجه تحقیقاتی است که با هدف کاهش توان مصرفی و بهبود سرعت در سلولهاي SRAM انجام شده است. ساختار این مقاله به صورت زیر تنظیم شده است. ابتدا در بخش دوم تعدادي از تحقیقات قبلی در این زمینه به اختصار بررسی شده و چهار سلول در این بخش معرفی شده است. در بخش سوم سلول پیشنهادي جدیدي معرفی شده است و نتایج شبیه سازي این سلول و چهار سلول قبلی در بخش چهارم ارائه گردیده و این پنج سلول با هم مقایسه شده اند. در نهایت بخش پنجم به عنوان آخرین بخش شامل خلاصه و نتیجه گیري است.
.2 سلول هاي قبلی SRAM
تاکنون انواع مختلفی از سلولهاي SRAM پیشنهاد شده است که در این بخش چند نمونه از این سلول ها را تحت عنوان سلول 7،6 ، 8 و 9 ترانزیستوري به طور خلاصه تشریح کرده و مزایاي ومعایب هر کدام را بیان می کنیم.
- 2-1 سلول 6 ترانزیستوري معمولی
یک سلول 6 SRAM ترانزیستوري در شکل 1 نشان داده شده است. همان طور که از شکل مشخص می شود این سلول پایه از دو گیت NOT و دو ترانزیستور NMOS دستیابی که خواندن و نوشتن اطلاعات از طریق این دو ترانزیستور انجام می شود، تشکیل می گردد. فرآیند مبادله اطلاعات با این سلول به شرح زیر است.
فرآیند نوشتن داده: در فرآیند نوشتن اطلاعات در سلول، ابتدا اطلاعات مورد نظر روي خطوط BL وBLb قرار می گیرند و سپس خط WL فعال و ترانزیستورهاي دستیابی N3 - و - N4 روشن شده و نتیجه اطلاعات به داخل سلول منتقل می شود. بعد از نوشته شدن اطلاعات در سلول خطوط WL دوباره غیر فعال شده و ترانزیستورهاي دستیابی خاموش می گردند
فرآیند خواندن داده: قبل از شروع فرآیند خواندن از سلول، ابتدا خطوط BL و BLb توسط یک مدار مناسب به Vdd پیش شارژ می-شوند. فرآیند خواندن با اعمال یک پالس روي خط WL ظاهر می-گردد. این پالس باعث می شود که ترانزیستورهاي دستیابی روشن شده و گره 1 و 2 به ترتیب به خطوط BL و BLb وصل گردند. در نتیجه اختلاف پتانسیل بین گره هاي 1 و 2 به خطوط BL و BLb منتقل شده و توسط تقویت کننده حسی به داده تبدیل میگردد
حاشیه نویز استاتیکی - - SNMخواندن: در سلول 6 ترانزیستوري معمولی و در فرآیند خواندن، گره هاي ذخیره کننده داده توسط ترانزیستورهاي دستیابی مستقیما به خط بیتها ذخیره متصل می-شوند.لذا سطح ولتاژگره هاي ذخیره کننده داده، به دلیل تقسیم ولتاژ خط بیت بین ترانزیستور دستیابی و ترانزیستور pull-down اینورتر در طول فرآیند خواندن دچار اختلال می گردند که منجر به کاهش پایداري داده و SNM خواندن می شود.
براي جلوگیري از این پدیده باید اندازه ترانزیستورها با دقت انتخاب شوند و نسبت سایز ترانزیستورهاي pull-down به سایز ترانزیستورهاي دستیابی اهمیت پیدا می کند. با بزرگ انتخاب کردن ترانزیستورهاي N1 - pull-down و - N2 نسبت به ترانزیستورهاي دستیابی N3 - و - N4 این مشکل حل می شود. از طرفی براي حفظ توانایی نوشتن داده در داخل سلول، باید ترانزیستورهاي دستیابی N3 و N4 قوي تر از ترانزیستورهاي P1 - pull_up و - P2 باشند که این مشخصات درشکل 1 آمده است. انتخاب مقادیر بزرگ براي اندازه ترانزیستورها نیز منجر به افزایش توان مصرفی می گردد لذا در انتخاب اندازه ترانزیستورها باید طوري عمل کرد که هم توان نشتی کاهش یابد و هم پایداري داده بهبود یابد.
شکل:1 سلول 6 ترانزیستوري معمولی - B=4 -
- 2-2 سلول 9 ترانزیستوري
شماتیک این سلول که در سال 2008 توسط Zhiyu Liu و همکارش معرفی شده است در شکل 2 نشان داده شده است. همان طور که میبینید، در این سلول به منظور بهبود پایداري و SNM خواندن نسبت به سلول 6 ترانزیستوري معمولی، مسیر خواندن داده از مسیر نوشتن داده جدا شده است. در نتیجه این تغییر، پایداري و SNM خواندن سلول 2 برابر سلول 6 ترانزیستوري معمولی شده است.
در این سلول براي عمل نوشتن و خواندن از دو خط بیت مشترك استفاده می شود اما ترانزیستورهاي مسیر دستیابی در دو عمل خواندن و نوشتن متفاوت هستند. عمل نوشتن مشابه سلول 6 ترانزیستوري است و با یک شدن WR و روشن شدن N3 و N4 انجام می گیرد. اما براي عمل خواندن باید ابتدا سیگنال RD یک شده و N7 روشن گردد و در نتیجه سورس N5 و N6 به زمین وصل شود. در این صورت با توجه به مقدار ذخیره شده در سلول، یکی از این دو ترانزیستور روشن و دیگري خاموش میگردد و یکی از دو خط بیت صفر شده و دیگري یک می ماند. نظر به این که در حالت بیکاري همیشه یکی از دو ترانزیستورN5 و N6 روشن است، توان نشتی در این سلولنسبتاً زیاد است
شکل:2 شماتیک سلول 9 ترانزیستوري با بهبود پایداري 2برابر نسبت به سلول 6 ترانزیستوري معمولی
- 2-3 سلول 7 ترانزیستوري
این سلول در سال 2008 توسط Sherif و همکارانش معرفی شده است و در شکل 3 - الف - نشان داده شده است.همان طور که در شکل می بینید این سلول نیز براي بهبود پایداري و SNM خواندن داده، مسیر خواندن را از مسیر نوشتن جدا کرده است. در صورتی که مقدار یک در سلول - گره - 1 ذخیره شده باشد ترانزیستور N5 روشن خواهد بود و در این صورت در فرآیند خواندن و با فعال کردن سیگنال RD، تنها خط بیت خواندن - RBL - دشارژ می شود. اما در صورتی که مقدار صفر در سلول - گره - 1 ذخیره شده باشد ترانزیستور N5 خاموش خواهد بود و با فعال کردن سیگنال RD خط بیت خواندن روي Vdd ثابت باقی میماند. سطح ولتاژ روي خط RBL توسط تقویت کننده حسی تشخیص داده شده و به داده خروجی تبدیل می گردد. این سلول در فرآیند نوشتن نیز از یک خط بیت استفاده کرده است که این عمل باعث میشود عمل نوشتن به خوبی انجام نشود و سرعت نوشتن کند شود.براي کاهش توان مصرفی نیز از تکنیک doul-vtاستفاده شده است که منجر به کاهش سرعت می شود.[7]
- 2-4 سلول 8 ترانزیستوري
ساختار سلول 8 ترانزیستوري که در سال 2005 توسط آقاي Chang معرفی شده است در شکل - 3ب - آمده است. عملکرد و ساختار این سلول، مشابه با سلول 7 ترانزیستوري است، با این تفاوت که در سلول 8 ترانزیستوري در فرآیند نوشتن از دو خط بیت استفاده کرده است که باعث بهبود سرعت نوشتن می شود. در این سلول از آنجایی که مسیر خواندن از مسیر نوشتن جدا شده است SNM خواندن بهبود می یابد. با توجه به اینکه سایز ترانزیستور هاي این سلول نسبت به سایز ترانزیستور هاي سلول 6 ترانزیستوري کمتر شده است، توان نشتی این سلول نسبت به سلول 6 ترانزیستوري کاهش می یابد. ولی در حالتی که سلول 8 ترانزیستوري در حالت بیکاري باشد و صفر را نیز در خود ذخیره کرده باشد یکی از ترانزیستورهاي مسیر خواندن روشن است که توان نشتی - جریان نشتی زیر آستانه - از طریق خط بیت و ترانزیستور هاي مسیر خواندن نسبت به سلول 9 ترانزیستوري پیشنهادي افزایش می یابد.[8] استفاده از خطوط بیت مستقل براي خواندن و نوشتن در این سلول بر پیچیدگی سیم کشی در حافظه می افزاید که از اشکالات این سلول است.
شکل :3 الف - شکل سلول 7 ترانزیستوري ب - شکل سلول 8 ترانزیستوري
.3 سلول 9 SRAM ترانزیستوري پیشنهادي
در این بخش یک سلول 9 ترانزیستوري جدید، به منظور پایداري داده، کاهش توان نشتی و افزایش سرعت خواندن و نوشتن پیشنهاد داده شده است. شکل هاي - 4الف - و - 4ب - شماتیک این سلول پیشنهادي را در دو حالت نوشتن و خواندن نشان می دهند. این سلول جدید از دو بخش خواندن و نوشتن داده تشکیل شده است، که بخش نوشتن داده مشابه سلول 6 ترانزیستوري معمولی است با این تفاوت که به دلیل عدم محدودیت هاي سلول 6 ترانزیستوري معمولی سایز همه ترانزیستورهاي قسمت نوشتن این سلول پیشنهادي یکسان و کمتر شده است. بخش خواندن این سلول نیز از یک گیت انتقالی و ترانزیستور N7 تشکیل شده است.
فرآیند نوشتن داده: فرآیند نوشتن داده با فعال کردن سیگنال WR در حالی که سیگنال RD غیرفعال است، آغاز می شود. در این حالت ترانزیستور N5 خاموش است و لذا گیت انتقالی نیز تاثیري در مدار ندارد.
