DRAM核心設(shè)計(jì)的新舊存取技術(shù)差異

　　本文討論不同的存取技術(shù)對(duì)于DRAM在進(jìn)行實(shí)體設(shè)計(jì)時(shí)所發(fā)生的改變，尤其是指由1電晶體+1電容器組成的儲(chǔ)存單元——DRAM的最小記憶單位…

　　不同的存取技術(shù)對(duì)于動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)在進(jìn)行實(shí)體設(shè)計(jì)時(shí)將發(fā)生什么改變?當(dāng)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)中的儲(chǔ)存單元(storage cell)加上控制端點(diǎn)以及數(shù)據(jù)端點(diǎn)后，就被稱(chēng)為1T1C DRAM單元;其中，控制端點(diǎn)也就是字組線(xiàn)(WL)，用于傳遞位址訊號(hào)，數(shù)據(jù)端點(diǎn)也就是位元線(xiàn)(BL)，用于傳遞數(shù)據(jù)值。

　　陣列結(jié)構(gòu)的差異

　　長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)于DRAM單元陣列之中的位元線(xiàn)是使用差動(dòng)對(duì)(differential pair)的樣式來(lái)配置，于是位元線(xiàn)就被區(qū)分成“+BL”以及“-BL”;本文將這樣的陣列結(jié)構(gòu)命名為差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列(Differential Storage Array)，包含這種陣列結(jié)構(gòu)的DRAM芯片就名為差動(dòng)式DRAM芯片。相對(duì)于差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列，新的存取技術(shù)可使用單端的樣式來(lái)配置，于是位元線(xiàn)就是“BL”;本文將這樣的陣列結(jié)構(gòu)命名為單端式儲(chǔ)存陣列，包含這種陣列結(jié)構(gòu)的DRAM芯片就名為單端式DRAM芯片。

　　在圖1左上方呈現(xiàn)儲(chǔ)存單元的電路圖，這就是1T1C DRAM芯片的記憶單位。在圖1中，為了清楚比較差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列與單端式儲(chǔ)存陣列之間的差異，特別將上半部繪制成差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列，又將下半部繪制成單端式儲(chǔ)存陣列。這樣本是將位址空間設(shè)定為4，其中，連接定址電路的導(dǎo)線(xiàn)即是WL0至WL3。連接數(shù)據(jù)傳輸電路的導(dǎo)線(xiàn)對(duì)于差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列的設(shè)計(jì)是BL00 (+BL)以及BL10 (-BL)，它的數(shù)據(jù)寬度是2，并且必為偶數(shù)，但是單端式儲(chǔ)存陣列就止于BL0，它的數(shù)據(jù)寬度是1，可為奇數(shù)。差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列有復(fù)雜的導(dǎo)線(xiàn)連接方式，并且必須交錯(cuò)連接位址線(xiàn)，這又被稱(chēng)為奇偶連線(xiàn)，像那BL00就是配合WL0以及WL2來(lái)存取數(shù)據(jù)。

　　從圖 1可清楚看出單端式儲(chǔ)存陣列相對(duì)于差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列的優(yōu)勢(shì)，那就是簡(jiǎn)單俐落地連接全部的導(dǎo)線(xiàn)，這在布局的時(shí)候可減輕繞線(xiàn)的工作量以及簡(jiǎn)化儲(chǔ)存單元的排列;在實(shí)體電路中可去除差動(dòng)對(duì)的電壓互相影響另一相對(duì)的儲(chǔ)存單元，也就是在進(jìn)行存取時(shí)會(huì)互相影響那些在儲(chǔ)存單元之內(nèi)的電壓值，這原因歸于電晶體的泄漏電流。

　　圖1：差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列與單端式儲(chǔ)存陣列的差異

　　規(guī)格設(shè)計(jì)的差異

　　在規(guī)格設(shè)計(jì)上，DRAM芯片會(huì)配置許多儲(chǔ)存陣列，本文將這些儲(chǔ)存陣列所形成的布局區(qū)域命名為存儲(chǔ)器陣列，并且這一存儲(chǔ)器陣列又可分割出許多存儲(chǔ)器區(qū)塊，還可聚集這些存儲(chǔ)器區(qū)塊成一區(qū)塊簇(Block Cluster)。關(guān)于本文所提出的DRAM芯片是以圖2來(lái)呈現(xiàn)它的內(nèi)部架構(gòu)，這些存儲(chǔ)器區(qū)塊配置相同的定址空間，簡(jiǎn)稱(chēng)區(qū)塊空間，這一區(qū)塊空間包含多個(gè)與數(shù)據(jù)寬度相等的單端式儲(chǔ)存陣列，或是包含多個(gè)與半數(shù)數(shù)據(jù)寬度相等的差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列。在圖中有標(biāo)記保持單元(Hold Cell)以及更新單元(Refresh Cell)，這需要分別配合主動(dòng)保持(Active Hold)以及主動(dòng)更新(Active Refresh)的功能。在存儲(chǔ)器區(qū)塊之內(nèi)包含更新控制器以及列解碼器即可經(jīng)由平行技術(shù)來(lái)執(zhí)行局部更新作業(yè)。

　　有許多因素可決定區(qū)塊空間(Sblock)，像是執(zhí)行更新作業(yè)的時(shí)脈頻率、等待更新作業(yè)完成的時(shí)間、執(zhí)行更新作業(yè)的間隔時(shí)間以及執(zhí)行存取作業(yè)的時(shí)間;以上這些因素分別簡(jiǎn)稱(chēng)為更新時(shí)脈頻率(fCrefresh)、等待時(shí)間(t_wait)、更新時(shí)間(t_refresh)以及存取時(shí)間(t_access)。區(qū)塊空間與數(shù)據(jù)寬度(W_data)的乘積就是存儲(chǔ)器區(qū)塊所含有的位元數(shù)，名為區(qū)塊容量(C_block)。這些因素之間的關(guān)系可由以下的數(shù)學(xué)方程式來(lái)表達(dá)，并隨附范例在后：

　　圖2：DRAM芯片內(nèi)部架構(gòu)

　　實(shí)體結(jié)構(gòu)的差異

　　在實(shí)體結(jié)構(gòu)中，單一儲(chǔ)存陣列上連接所有儲(chǔ)存單元的單一位元線(xiàn)，該金屬導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度以及寄生電容會(huì)限制區(qū)塊空間的最大值，這要從儲(chǔ)存陣列的布局以及儲(chǔ)存單元的特性來(lái)分析這些因素。圖3呈現(xiàn)有一實(shí)體結(jié)構(gòu)來(lái)示意金屬導(dǎo)線(xiàn)在晶粒上的布局，其中，側(cè)視圖呈現(xiàn)差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列將那些與+BL以及-BL連接的金屬導(dǎo)線(xiàn)放置在比較下面的金屬層，像是第一金屬層，在圖中以粗點(diǎn)線(xiàn)示意;單端式儲(chǔ)存陣列反而將那些與BL連接的金屬導(dǎo)線(xiàn)放置在比較上面的金屬層，像是第三金屬層，在圖中以細(xì)實(shí)線(xiàn)示意。頂視圖呈現(xiàn)差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列會(huì)加寬金屬導(dǎo)線(xiàn)來(lái)增加寄生電容;單端式儲(chǔ)存陣列反而要使用最小的線(xiàn)寬來(lái)去除寄生電容。

　　以下請(qǐng)對(duì)照?qǐng)D3，當(dāng)WL0或WL1使得電晶體導(dǎo)通之后，與其連接的電容器就會(huì)向BL或+BL或-BL放電，位元線(xiàn)的電流經(jīng)過(guò)一段金屬導(dǎo)線(xiàn)之后連接至數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器以及數(shù)據(jù)接收器。那些寄生在金屬導(dǎo)線(xiàn)的全部電容在圖中被標(biāo)記為“C_BL”，這電容量也關(guān)聯(lián)于實(shí)現(xiàn)回寫(xiě)功能的硬體電路;圖中有一測(cè)試點(diǎn)(TP)用于探測(cè)儲(chǔ)存單元的儲(chǔ)存狀態(tài)，它的電壓值即是儲(chǔ)存電壓(V_storage)。當(dāng)測(cè)試點(diǎn)的電荷逐漸移至金屬導(dǎo)線(xiàn)之時(shí)，測(cè)試點(diǎn)的電壓也會(huì)逐漸下降，除此之外，那些與位元線(xiàn)連接的電晶體皆有泄漏電流，甚至是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器的輸出端，因此，那些移至金屬導(dǎo)線(xiàn)的電荷又會(huì)被帶走。如果提高C_BL的電容量就能夠減緩電荷從金屬導(dǎo)線(xiàn)被帶走的速度，然而，金屬導(dǎo)線(xiàn)需要從測(cè)試點(diǎn)取得更多的電荷來(lái)累積足夠的電壓值，如此才能判斷數(shù)據(jù)值，此外會(huì)增加預(yù)充電的時(shí)間;這一現(xiàn)象會(huì)增加讀取作業(yè)的時(shí)間以及回寫(xiě)作業(yè)的時(shí)間。如果C_BL的電容量能夠趨近于零即可縮短預(yù)充電的時(shí)間，但是那些移至金屬導(dǎo)線(xiàn)的電荷就會(huì)迅速流失，并且測(cè)試點(diǎn)的電壓值也會(huì)迅速歸零;這一現(xiàn)象如同發(fā)生了突波而導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收器不能判斷數(shù)據(jù)值，然而，這有可能經(jīng)由增強(qiáng)數(shù)據(jù)接收器的整體效能而解決。這一寄生電容對(duì)于差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列而言是需要足夠大的電容量來(lái)判斷數(shù)據(jù)值，對(duì)于單端式儲(chǔ)存陣列反而期望得到最小的電容量，否則不止需要更長(zhǎng)的回寫(xiě)時(shí)間來(lái)恢復(fù)儲(chǔ)存狀態(tài)，也有可能需要更大的電容量來(lái)維持正在讀取之時(shí)的數(shù)據(jù)值，甚至無(wú)法判斷數(shù)據(jù)值。

　　區(qū)塊空間的最大值正比于數(shù)據(jù)接收器的整體效能，正比于那在儲(chǔ)存單元內(nèi)部的電容量(C_storage)，反比于金屬導(dǎo)線(xiàn)的寄生電容，反比于金屬導(dǎo)線(xiàn)的總阻抗值，反比于電流路徑之中的動(dòng)態(tài)總泄漏電流(i_DTLC)，這涵意即是每當(dāng)有一儲(chǔ)存陣列正在存取之時(shí)就會(huì)根據(jù)各儲(chǔ)存單元的儲(chǔ)存電壓值而動(dòng)態(tài)地變化。經(jīng)由電容器的電荷分壓定律而能算出正在讀取數(shù)據(jù)之時(shí)那在位元線(xiàn)上的電壓值，亦即“V_BL(@reading)”，數(shù)學(xué)方程式如后，其中，“V_BL(@reading)”是那在位元線(xiàn)上的差異電壓值，“V_precharge”是預(yù)充電的電壓值，這電壓值在差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列是1/2V_dd，在單端式儲(chǔ)存陣列是0：

　　圖3：內(nèi)含2種儲(chǔ)存單元的實(shí)體結(jié)構(gòu)差異

　　儲(chǔ)存電壓的差異

　　在進(jìn)入這段的主題之前要先清楚定義以下的名詞：“電源電壓(V_dd)”是位于儲(chǔ)存單元之外的供應(yīng)電壓，也就是向著數(shù)字邏輯電路而供應(yīng)正電壓的電源;“儲(chǔ)存電壓(V_storage)”是位于儲(chǔ)存單元之內(nèi)用于接收電壓值并且盡量維持其所對(duì)應(yīng)的邏輯準(zhǔn)位來(lái)提供讀取期間的數(shù)據(jù)值;“鑒別電壓(V_discerning)”是數(shù)據(jù)接收器在讀取期間或更新期間能夠?qū)ψ钗⑿〉碾妷鹤兓b別數(shù)據(jù)值的極限值;“最小雜訊邊界(V_margin〡MIN)”是數(shù)據(jù)接收器在讀取期間或更新期間內(nèi)受到各類(lèi)雜訊的干擾時(shí)也能夠鑒別數(shù)據(jù)值的最小邊界電壓值，這些雜訊包含電源雜訊以及切換雜訊;“最小差異電壓(ΔV〡MIN))”等于鑒別電壓加上最小雜訊邊界，是在讀取期間或更新期間能夠在受到雜訊干擾之時(shí)也能被數(shù)據(jù)接收器鑒別數(shù)據(jù)值的最小儲(chǔ)存電壓，這電壓也會(huì)影響更新時(shí)間的極限值。另外，“單元電壓(V_cell)”是筆者發(fā)表有關(guān)SRAM的存取技術(shù)時(shí)所提出的一種供應(yīng)電壓，這用途不同于儲(chǔ)存電壓。

　　圖4呈現(xiàn)差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列以及單端式儲(chǔ)存陣列的儲(chǔ)存電壓，并且突顯在單一儲(chǔ)存單元之中的差異。為了忽略不同的儲(chǔ)存陣列在存取技術(shù)上的差異，所以這電壓波形圖所對(duì)應(yīng)到的硬體電路就是單一儲(chǔ)存單元。換言之，這是設(shè)定在相同的制程參數(shù)、電容量以及泄漏電流來(lái)比較關(guān)于儲(chǔ)存電壓的差異。

　　電晶體的閘極電壓(V_t)會(huì)使得儲(chǔ)存電壓低于電源電壓，如果逐漸增加電晶體的閘極電壓則可使得儲(chǔ)存電壓逐漸趨近電源電壓。差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列為了去除閘極電壓，于是在存取期間之內(nèi)會(huì)令字組線(xiàn)的電壓值至少到達(dá)電源電壓加上閘極電壓，使得最大的儲(chǔ)存電壓等于電源電壓。單端式儲(chǔ)存陣列除了可經(jīng)由上述的增壓方法來(lái)達(dá)到同樣的效果之外，尚可經(jīng)由多閘極電壓的制程技術(shù)來(lái)使用高閘極電壓的電晶體，如此還能減小泄漏電流。對(duì)于減小泄漏電流的電路也能使用三阱制程(triple-well process)來(lái)設(shè)計(jì)列解碼器的輸出驅(qū)動(dòng)器，如此即可令字組線(xiàn)以負(fù)電壓截止電晶體。

　　圖4的電壓波形圖是呈現(xiàn)去除閘極電壓的影響而形成的工作狀態(tài)。在寫(xiě)入期間之內(nèi)，差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列的儲(chǔ)存電壓會(huì)先到達(dá)預(yù)充電的電壓值，然后到達(dá)所被寫(xiě)入的電壓值;然而，單端式儲(chǔ)存陣列沒(méi)有預(yù)充電的電壓值。在保持期間之內(nèi)，差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列的儲(chǔ)存電壓會(huì)逐漸趨近半倍的電源電壓值;然而，單端式儲(chǔ)存陣列是逐漸趨近最小的電壓值，亦即接地電壓值。由此看出單端式儲(chǔ)存陣列的更新時(shí)間大約是差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列的二倍。

　　圖5是為了突顯差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列與單端式儲(chǔ)存陣列之間的效益差異，所以這電壓波形圖呈現(xiàn)加入閘極電壓所形成的影響。在寫(xiě)入期間之內(nèi)，最大的儲(chǔ)存電壓值低于電源電壓值，這影響了差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列的電壓對(duì)稱(chēng)性。在保持期間之內(nèi)，對(duì)于差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列的儲(chǔ)存電壓，放電曲線(xiàn)比充電曲線(xiàn)更快到達(dá)半倍的電源電壓值，使得更新時(shí)間被迫縮短。由此看出單端式儲(chǔ)存陣列的更新時(shí)間超過(guò)差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列的二倍。

　　經(jīng)由上述的分析而得知一些會(huì)影響時(shí)間的因素，其中，泄漏電流是主要因素，并且正比于工作溫度。關(guān)于在差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列內(nèi)部單一單元的泄漏時(shí)間(tDleakage)以及在單端式儲(chǔ)存陣列內(nèi)部單一單元的泄漏時(shí)間(tSleakage)可由以下的數(shù)學(xué)方程式來(lái)表達(dá)，其中，“t_zeroing”代表單端式儲(chǔ)存單元在每次對(duì)儲(chǔ)存電壓執(zhí)行歸零的時(shí)間，亦即啟動(dòng)主動(dòng)保持功能的時(shí)間：

　　由于每當(dāng)有一儲(chǔ)存陣列正在存取之時(shí)就會(huì)影響內(nèi)部各儲(chǔ)存單元的更新時(shí)間，所以其余儲(chǔ)存單元受到這一存取作業(yè)而被縮短了更新時(shí)間就名為收縮時(shí)間。差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列的收縮時(shí)間(σtDshrink)以及單端式儲(chǔ)存陣列的收縮時(shí)間(σtSshrink)可由以下的數(shù)學(xué)方程式來(lái)表達(dá)，其中，“t_precharge”代表預(yù)充電時(shí)間，“t_rdvwr”代表讀取或?qū)懭霑r(shí)間，“t_rewrite”代表回寫(xiě)時(shí)間：

　　關(guān)于各種儲(chǔ)存陣列在工作中的動(dòng)態(tài)更新時(shí)間(σt_refresh@working)可由以下的數(shù)學(xué)方程式來(lái)表達(dá)，并且動(dòng)態(tài)更新時(shí)間不同于設(shè)計(jì)上的更新時(shí)間，其中，“T_access”代表執(zhí)行存取作業(yè)的次數(shù)：

　　圖4：儲(chǔ)存單元(不帶Vt)的儲(chǔ)存電壓比較

　　圖5：儲(chǔ)存單元(帶Vt)的儲(chǔ)存電壓比較

　　結(jié)論

　　差動(dòng)式儲(chǔ)存陣列的存取電路很容易經(jīng)由習(xí)以為知的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，然而，單端式儲(chǔ)存陣列的存取特性對(duì)于數(shù)據(jù)接收器的設(shè)計(jì)是一重大的考驗(yàn)，由此可推知1T1C DRAM單元在出現(xiàn)以來(lái)就是使用差動(dòng)放大器來(lái)讀取數(shù)據(jù)。本文對(duì)于DRAM存取技術(shù)的改變而形成了這種單端式儲(chǔ)存陣列，乃是基于由三電晶體結(jié)合另一電阻器所組成的SRAM單元。簡(jiǎn)言之，靜態(tài)減量技術(shù)成，動(dòng)態(tài)存取特性同。在標(biāo)準(zhǔn)的CMOS制程技術(shù)下，當(dāng)SRAM單元的電晶體數(shù)量減少至三顆的時(shí)候就少了些原有的特性，尤其是存取特性的迵異，并且類(lèi)似于DRAM單元。