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嵌入式存儲(chǔ)器的容量及其在系統(tǒng)芯片中所占的面積越來(lái)越大，對(duì)其操作所帶來(lái)的動(dòng)態(tài)功耗成為系統(tǒng)芯片功耗中重要的組成部分，因此，必須尋求有效的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，以降低嵌入式存儲(chǔ)器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。為了降低存儲(chǔ)器的功耗，人們采用了字線分割、分級(jí)字線譯碼以及字線脈沖產(chǎn)生等技術(shù)，大大降低了存儲(chǔ)器的動(dòng)態(tài)功耗。 另外一種能有效降低存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)功耗的技術(shù)就是位線分割(DBL)。 針對(duì)系統(tǒng)要求，筆者采用DBL結(jié)構(gòu)以及一種存儲(chǔ)陣列分塊譯碼結(jié)構(gòu)，完成了64 kb嵌入式存儲(chǔ)器模塊的設(shè)計(jì)。 參數(shù)的修正與公式的重新推導(dǎo) DBL結(jié)構(gòu)的原理 DBL結(jié)構(gòu)就是通過將兩個(gè)或者多個(gè)SRAM存儲(chǔ)單元進(jìn)行合并，以減少連接到位線上的晶體管數(shù)目，從而減小位線電容，達(dá)到降低存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)功耗的目的。 圖1w給出了將4個(gè)SRAM單元連接在一起并通過傳輸管連接到位線上的電路示意圖。 與一般布局的位線結(jié)構(gòu)相比，圖1w所示的DBL結(jié)構(gòu)中連接到位線上的傳輸管數(shù)目減少了3 /4。 DBL結(jié)構(gòu)有兩個(gè)關(guān)鍵:第1，確定存儲(chǔ)陣列行數(shù)N 與合并的單元個(gè)數(shù)M 之間的最優(yōu)關(guān)系。 所謂最優(yōu)是指合并后存儲(chǔ)器的動(dòng)態(tài)功耗最小。 對(duì)于這個(gè)關(guān)系，文獻(xiàn)中給出了相應(yīng)的公式: pnor = (1 /M + 0.1) + 2 ×( (M + 1) / (N (ΔV /V ) ) ) ， (1) Mop t = ( (N /2) ×(ΔV /V ) ) 1 /2 ， (2) 式中ΔV 表示位線上電壓的擺幅， V 表示電源電壓。第2，確定合并后各個(gè)管子的寬長(zhǎng)比。下面，針對(duì)這兩個(gè)問題進(jìn)行討論。 DBL功耗公式的修正 公式(1) ， ( 2)是在下述假設(shè)下得出的:在SRAM中，位線的電容主要是由存儲(chǔ)單元中傳輸晶體管的漏極電容和位線的金屬連線電容構(gòu)成，并且金屬線的寄生電容是與位線相連管子漏極總電容C的10% ，則圖2中寄生電容C1 和C2 可表示為 C1 = C M /N ， C2 = C /M + 0.1C。 然而，上述假設(shè)并沒有真正反映位線電容的構(gòu)成，因?yàn)槲痪�電容的組成包括存儲(chǔ)單元中傳輸晶體管的源/漏電容CBS ，位線間的耦合電容CBB ，位線與橫向字線之間的耦合電容CWW ，位線與地線的耦合電容CBSS ，位線與電源線的耦合電容CBDD ，位線的金屬連線電容CW 等。 隨著深亞微米技術(shù)的發(fā)展，在位線總電容中，傳輸晶體管的源/ 漏電容CBS 所占的比例只有60% ～ 70% ，其他的電容分量共占30% ～40%，在這種情況下公式設(shè)計(jì)電路會(huì)帶來(lái)較大的誤差。 另外，對(duì)C1 的舍入過大，由此也引入了很大的誤差，必須進(jìn)行修正。 筆者對(duì)公式的重新推導(dǎo)如下。 假設(shè)存儲(chǔ)陣列的行數(shù)為N， DBL 結(jié)構(gòu)中合并的存儲(chǔ)單元數(shù)為M，一般布局結(jié)構(gòu)(N 行) 中， 與位線相連的所有傳輸管漏極的總電容為C，并假定位線上其他的寄生電容是此漏極總電容的30% ， 則圖2中電容C1 和C2 可表示為 C1 = C (1.3M + 1) /N ， C2 = (C /M ) + 0.3C。 假設(shè)讀寫操作時(shí)子位線不進(jìn)行預(yù)充電，并且其電壓值能夠達(dá)到電源電壓，用ΔV 表示位線上電壓的擺幅，那么，圖2中DBL存儲(chǔ)器的動(dòng)態(tài)功耗可表示為 p =f (M ) = (C2 ×ΔV ×V + 2 ×C1 ×V2 ) ×f = ×f (3) 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)單元的功耗表達(dá)式pstan = (C ×ΔV ×V ) ×f， (4) 對(duì)式(3) 歸一化得pnor = (1 /M + 0.3) + 2 ×( (1.3M + 1) / (N ×ΔV /V ) ) ， (5) 因此可求得功耗最小時(shí)的M 值Mop t = ( (N /2. 6) ×(ΔV /V ) ) 1 /2 。 (6) 如果存儲(chǔ)陣列的行數(shù)N = 1 024，位線電壓變化率ΔV /V = 011，則Mop t ≈ 6， pnor ≈ 0164。 但是如果按照公式(1) ， (2) 計(jì)算，則Mop t ≈ 8， pnor ≈ 0140，后面的設(shè)計(jì)均基于修正后的公式(5) ， (6)。 |
