65nm工艺下基于RRAM的非易失性SRAM单元设计

发布时间：2020-10-21 19:08

　　随着可穿戴设备、物联网、云计算及大数据应用的快速发展,常关断计算技术逐渐成为解决智能终端续航瓶颈的主要方向,而静态随机存储器(Static Random Access Memory,SRAM)作为 SoC(System on Chip,SoC)芯片的核心部件在掉电后存在数据丢失的缺陷,为了满足常关断计算需求,非易失性SRAM(Non-Volatile Static Random Access Memory,NVSRAM)成为研究的热点。RRAM(Resistance Random Access Memory,RRAM)因其具有良好的电学特性、面积小且与 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺良好兼容性等特点,在非易失性SRAM中表现出很强的竞争优势。本文将在先进工艺下对基于RRAM的非挥发性SRAM存储单元进行研究。在考虑工艺波动的基础上,分析了多种结构设计方案。1)多阈值电压结构:交叉耦合反相器具有不对称的阈值电压,系统上电时存储节点的数据不再是随机状态,接着通过恢复路径对节点充放电来实现断电前数据的恢复。2)差分数据感知结构:交叉耦合反相器由位线供电,系统上电时通过对BL/BLB位线采用特殊的控制时序,使存储节点数据达到预知状态,接着开启恢复路径,从而实现系统断电前数据的恢复。这两种结构均采用了单边节点接入RRAM的方式。分析对比了这两种结构性能,并进行了结构优化,最终实现了一种新型非挥发性SRAM高可靠性存储单元结构。另外采用数据可预知恢复状态的实现方法,构建了一种适用于非挥发性SRAM系统的高可靠性控制机制,确保系统的可靠性操作。为系统优化提供理论指导,对我国物联网快速发展具有深远的意义。基于SMIC 65nm工艺节点大量仿真数据表明,本文提出的结构能够显著提高数据的恢复率和恢复速度,更优的读写静态噪声容限(Static Noise Margin,SNM),以及很大程度上降低了结构的静态和动态功耗。
【学位单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP333
【部分图文】：

存储器,非易失性

，器的不断出现，给我国在半导体产业提供了变道超车的历史发展机遇。因此，对??于非易失性ＳＲＡＭ的研究具有深远的意义［７１。??１．１．２存储器的分类与比较??存储器一般可以分成两大类：易失性和非易失性，如图１－１所示。其中ＳＲＡＭ??和ＤＲＡＭ觅最常见的两类易失性存储器。非易失性存储器的种类则有很多，其??中闪存（ＦＬＡＳＨ）波各领域广泛的应用，另外其他新型的非易失性存储器包括??磁存储器（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ?Ｒａｎｄｏｍ?Ａｃｃｅｓｓ?Ｍｅｍｏｒｙ，?ＭＲＡＭ）、铁电存储器??（ＦｅｉＴｏｄｅｃｔｉ．ｉｃ?ｒａｎｄｏｍ?ａｃｃｅｓｓ?ｍｅｍｏ丨．ｙ，ＦＲＡＭ）、相变存储器（Ｐｈａｓｅ?Ｒａｎｄｏｍ??Ａｃｃｅｓｓ?Ｍｅｍｏ丨？＞？，ＰＲＡＭ）、阻变存储器（ＲＲＡＭ）和非易失性静态随机存取存??储器（ＮＶＳＲＡＭ）等［８｜。其中，ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＦＬＡＳＨ和ＦＲＡＭ是通过电容??的充放电来对数据进行存储。而ＰＲＡＭ、ＭＲＡＭ和ＲＲＡＭ则是基于电阻的切换??来实现数据的存储。表丨－丨和表１－２是各类存储器的优缺点比较和参数比较。??ＭｅｍｏｒＩ）??

65nm工艺下基于RRAM的非易失性SRAM单元设计