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1、5/1/202215/1/20221Department of Microelectronics, PKUDepartment of Microelectronics, PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu第十章第十章 存储器设计存储器设计第一节第一节 简介简介第二节第二节 动态随机存储器动态随机存储器 DRAM第三节第三节 静态随机存储器静态随机存储器 SRAM第四节第四节 只读存储器只读存储器ROM第五节第五节 非易失存储器非易失存储器 NVM5/1/202225/1/20222Department of Microelectronics, PKUDepartment of
2、 Microelectronics, PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu第一节第一节 简介简介一、存储器的分类一、存储器的分类二、存储器的总体结构二、存储器的总体结构三、存储器的时序三、存储器的时序5/1/202235/1/20223Department of Microelectronics, PKUDepartment of Microelectronics, PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu一、存储器的分类一、存储器的分类5/1/202245/1/20224Department of Microelectronics, PKUDepartment o
3、f Microelectronics, PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu随机存取存储器随机存取存储器 RAMRandom Access Memory可以进行写入和读出的半导体存可以进行写入和读出的半导体存储器储器数据在断电后消失，具有挥发性数据在断电后消失，具有挥发性只读存储器只读存储器 ROMRead Only Memory专供读出用的存储器，一般不专供读出用的存储器，一般不具备写入，或只能特殊条件下具备写入，或只能特殊条件下写入。写入。数据在断电后仍保持，具有非数据在断电后仍保持，具有非挥发性。挥发性。L1CacheL2/L3CacheMain MemoryHard D
4、isk DriveCPU现代计算机系统的存储器体系结构现代计算机系统的存储器体系结构DRAML3，Main Memory SRAMCache (L1, L2)5/1/202265/1/20226Department of Microelectronics, PKUDepartment of Microelectronics, PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu存储器集成电路存储器集成电路可读写存储器可读写存储器 RWM非易失读非易失读写存储器写存储器 NVRWM只读存储器只读存储器 ROM随机存取随机存取非随机存取非随机存取 5/1/202275/1/20227Departm
5、ent of Microelectronics, PKUDepartment of Microelectronics, PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu二、存储器的总体结构二、存储器的总体结构5/1/202285/1/20228Department of Microelectronics, PKUDepartment of Microelectronics, PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu5/1/202295/1/20229Department of Microelectronics, PKUDepartment of Microelectronics
6、, PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu三、存储器的时序三、存储器的时序RWM的时序的时序5/1/2022105/1/202210Department of Microelectronics, PKUDepartment of Microelectronics, PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu第二节第二节 DRAMDRAM的结构的结构ITIC DRAM的工作原理的工作原理ITIC DRAM的的设计设计DRAM的总体结构的总体结构DRAM的外围电路的外围电路5/1/2022115/1/202211Department of Microelectronics,
7、 PKUDepartment of Microelectronics, PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan LiuDRAM的结构的结构5/1/2022125/1/202212Department of Microelectronics, PKUDepartment of Microelectronics, PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan LiuITIC DRAM的结构的结构存储电容的上极板存储电容的上极板poly接接VDD，保证硅，保证硅中形成反型层中形成反型层存储电容下极板上存储电容下极板上电位的不同决定了电位的不同决定了存储信息，存储信息，0，15/1/202213
8、5/1/202213Department of Microelectronics, PKUDepartment of Microelectronics, PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan LiuDRAM 动态随机存取存储器动态随机存取存储器 由于存储由于存储在电容中在电容中的电荷会的电荷会泄露，需泄露，需要刷新。要刷新。5/1/2022145/1/202214Department of Microelectronics, PKUDepartment of Microelectronics, PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan LiuITIC DRAM的工作原理的工作原理x
9、存储电容存储电容CsA（COXCj）写信息写信息（字线）（字线）WL为高，为高，M1导通，导通，BL（位线）对电容充放电，写（位线）对电容充放电，写1时有阈时有阈值损失值损失存信息：存信息：WL为低，为低，M1关断，信号存在关断，信号存在Cs上。由于上。由于pn结有泄漏，所存信息结有泄漏，所存信息不能长期稳定保存，一般要求保持时间内，所存高电平下降不小于不能长期稳定保存，一般要求保持时间内，所存高电平下降不小于20，否，否则刷新则刷新读信息：读信息： WL为高，为高，M1导通，所存电荷在导通，所存电荷在Cs和位线上再分配，读出信号微和位线上再分配，读出信号微弱，而且是弱，而且是破坏性破坏性的。
10、的。ITIC DRAM读信息时的电荷分配读信息时的电荷分配Cs存存“1”时时M1未开启时未开启时Cs上存的电荷为上存的电荷为Qs1 CsVs1BL被预充到被预充到VR，其上的电荷为，其上的电荷为QB1CBLVRM1导通后，导通后，Cs与与CBL间电荷再分配，但总电荷不变间电荷再分配，但总电荷不变结果结果BL上的电位为上的电位为VB1同理，同理，Cs存存“0”时时BL上的电位上的电位VB0读出电路必须分辩的电位差读出电路必须分辩的电位差对于大容量对于大容量DRAM，CBL远大于远大于Cs，一般十几倍，因此，一般十几倍，因此DRAM的读出信号的读出信号 VB很微弱，需要使用灵敏放大器（很微弱，需要
11、使用灵敏放大器（SA）问题：问题： 1、电荷再分配破坏了、电荷再分配破坏了Cs原先存的信息原先存的信息 2、读出信号非常微弱、读出信号非常微弱 TV!BLVBL最后稳定在最后稳定在（VDD）SAPV！BL最后稳定在最后稳定在（GND）SANVBL0读读00为提高速度并不等一侧位线下降为为提高速度并不等一侧位线下降为低电平，而是只要位线间建立一定低电平，而是只要位线间建立一定的信号差就送读出放大器，放大输的信号差就送读出放大器，放大输出。出。需要灵敏放大器，不用再生需要灵敏放大器，不用再生5/1/2022455/1/202245Department of Microelectronics, PK
12、UDepartment of Microelectronics, PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan LiuSRAM写操作写操作写操作时，选中单元写操作时，选中单元WL为高，为高，M5，M6导通。位线导通。位线BL，!BL准备准备好待写入的信号。写好待写入的信号。写1，BL1VDD，写，写0， BL0。BL、!BL通过通过M6、M5对对Q、!Q强迫充放电，与单元内原先存储的强迫充放电，与单元内原先存储的状态无关。状态无关。写操作结束后，双稳单元将信息保存。写操作结束后，双稳单元将信息保存。SRAM写写05/1/2022465/1/202246Department of Microel
13、ectronics, PKUDepartment of Microelectronics, PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan LiuSRAM 静态随机存取存储器工作原理静态随机存取存储器工作原理 不需要不需要刷新。刷新。5/1/2022475/1/202247Department of Microelectronics, PKUDepartment of Microelectronics, PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan LiuVDDGNDQQWLBLBLM1M3M4M2M5M66T SRAM5/1/2022485/1/202248Department of Micr
14、oelectronics, PKUDepartment of Microelectronics, PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu电流镜负载电流镜负载CMOS差分放大器差分放大器v1v2作用提高读出速度。放大微小的电压差。作用提高读出速度。放大微小的电压差。差分输入信号差分输入信号Vinv1v2，放大后产生的，放大后产生的差分输出电流为差分输出电流为 iouti1i2i1 i2IsVoutRLiout 是是M1，M2的的导电因子导电因子要求：要求：M4，M5完全对称。完全对称。M1,M2完全对称完全对称为了在提高灵敏度的同时，又能抗干扰，有时采用二级放大为了在提高灵敏度的同
15、时，又能抗干扰，有时采用二级放大5/1/2022495/1/202249Department of Microelectronics, PKUDepartment of Microelectronics, PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan LiuSRAM及其及其外围电路外围电路位线负载晶位线负载晶体管体管列选择列选择灵敏放大器灵敏放大器 （列公用）（列公用）数据读写电路数据读写电路5/1/2022505/1/202250Department of Microelectronics, PKUDepartment of Microelectronics, PKU，Xiaoyan Liu
16、Xiaoyan LiuSRAM中的地址探测技术中的地址探测技术提高速度、节省功提高速度、节省功耗耗利用地址变化探测利用地址变化探测电路，一旦地址变电路，一旦地址变化，产生化，产生ATD信号，信号，并用并用ATD触发其它触发其它时钟及控制信号开时钟及控制信号开始读始读/写操作。使写操作。使SRAM工作于异步工作于异步模式，按需操作，模式，按需操作，不必受同步时钟的不必受同步时钟的控制。控制。ATD为正脉冲时，为正脉冲时，SRAM开始工作开始工作5/1/2022515/1/202251Department of Microelectronics, PKUDepartment of Microelectronics, PKU，Xiaoyan LiuXiaoyan Liu结构与原理结构与原理第四节第四节 只读存储器（只读存储器（ROM)分为分为掩膜式掩膜式编程式编程式可擦写式可擦写式 掩膜和编程式掩膜和编程式ROM的结构的结构5/1/2022525/1/202252Department of Microelectronics, PKUDepartment of Microelectronics
