隨著諸如醫(yī)療電子和無線傳感節(jié)點等應(yīng)用的興起，低功耗芯片受到了越來越廣泛的關(guān)注。這類芯片對性能和功耗要求苛刻。靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）作為芯片的重要組成部分，大程度上影響著芯片的面積和功耗，因此其功耗的優(yōu)化成了芯片功耗優(yōu)化的關(guān)鍵所在。本篇文章由專注于銷售代理SRAM、MRAM、PSRAM等存儲芯片供應(yīng)商宇芯電子介紹如何利用傳統(tǒng)方法提升SRAM性能。

SRAM單元的數(shù)據(jù)保持功能是通過背靠背的反相器實現(xiàn)的，因此為了使單元能最穩(wěn)定地保持?jǐn)?shù)據(jù)，每個反相器都要工作在最優(yōu)的噪聲容限下。使單個反相器獲得最優(yōu)噪聲容限的傳統(tǒng)做法是，先把NMOS和PMOS的溝道長度固定為最小溝道長度，再調(diào)整NMOS和PMOS的寬度比（W，WR），從而匹配兩者的驅(qū)動能力。

圖1顯示了室溫下（25℃），傳統(tǒng)尺寸調(diào)整方法在不同電壓下寬度比的變化趨勢。從全局觀察，寬度比隨電壓降低呈增長趨勢。同時其增長率在不同工藝角下有明顯差別。產(chǎn)生這個趨勢的原因在于：PMOS與NMOS驅(qū)動能力的差距隨電壓降低而加大，不同的工藝角又會影響這個差距的數(shù)值。最終低電壓下PMOS需要付出不同的面積代價去匹配NMOS的驅(qū)動能力。室溫下最惡劣的寬度比出現(xiàn)在電壓為0.2V，工藝角為FNSP的條件下。此時數(shù)值為93左右，消耗了大量面積。此外溫度對寬度比也有著不可忽略的影響。引入溫度因素后，傳統(tǒng)的尺寸調(diào)整方法會帶來如圖2所示的變化。隨著溫度的降低（80℃，25℃，-40℃），尺寸開銷加劇。在-40℃和80℃下，最壞情況依舊出現(xiàn)在0.2V電壓，F(xiàn)NSP工藝角下，此時寬度比分別達到300和45.

圖1室溫下寬度比隨電壓和工藝角的變化趨勢

巨大的尺寸開銷不僅會導(dǎo)致漏電的增加，也會影響電路在亞閾值區(qū)的功能。而且，由于亞閾值區(qū)晶體管電流與閾值成指數(shù)關(guān)系，所以微小的闕值變化都能帶來顯著的電流變化，從而導(dǎo)致寬度比發(fā)生進一步偏移。因此為維持SRAM 單元在亞閾值區(qū)的噪聲容限，采用傳統(tǒng)的尺寸調(diào)整法會使得單元的反饋環(huán)付出更大的面積代價。

圖2不同溫度和工藝角下寬度比的變化趨勢

與此同時的單元的寫能力受上拉晶體管和存取晶體管的相對強度影響，當(dāng)使用大尺寸的上拉晶體管（ M2，M4）時，存取晶體管（M5，M6）的尺寸會相應(yīng)增大以保證寫能力，從而又增大了單元面積。因此許多學(xué)者提出了各種方案：比如在存取晶體管上加上高電壓的字線電平以增強晶體管的導(dǎo)通能力，或者降低要寫入單元的供電電壓，使得上拉晶體管的能力變?nèi)?，從而降低尺寸開銷。但是這兩種方法都需要額外的布線開銷和供電電路，會產(chǎn)生多余的功耗，同時也會影響SRAM 陣列中半選單元的穩(wěn)定性，導(dǎo)致SRAM不能穩(wěn)定工作。所以外圍輔助電路雖然一定程度上能改善傳統(tǒng)尺寸調(diào)整方法的劣勢，但也會帶來電路和功耗開銷并導(dǎo)致其他問題的產(chǎn)生。

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