65nm工艺下基于RRAM的非易失性SRAM单元设计

摘要

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SMIC65nm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。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 课题背景及意义

1．1．2 存储器的分类与比较

1．1．3 国内外研究现状

1．2 本文的研究内容

1．3 论文结构

第2章 基于RRAM的非易失性SRAM原理及分析

2．1 SRAM整体结构

2．2 SRAM工作原理

2．3 RRAM原理分析及功能验证

2．3．1 RRAM基本原理

2．3．2 RRAM模型仿真验证

2．4 NVSRAM工作原理及分析

2．4．1 NVSRAM基本原理

2．4．2 NVSRAM操作流程

2．5 本章小结

第3章 基于RRAM的非易失性SRAM单兀元议设计

3．1．1 单边接入

3．1．2 多电源电压结构

3．1．3 多阈值电压结构

3．2 改进型9T1R非易失性SRAM单元设计

3．2．1 结构原理分析

3．2．2 时序仿真分析

3．3 本章小结

第4章 改进型非易失性SRAM单元性能分析

4．1 单元基本性能分析

4．1．1 保持能力

4．1．2 写能力

4．1．3 读能力

4．2 数据恢复率与恢复时间分析

4．2．1 恢复率

4．2．2 恢复速度

4．3 功耗分析

4．3．1 恢复功耗

4．3．2 动态功耗

4．3．3 静态保持功耗

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢