65nm工藝高性能低功耗SRAM研究與實現(xiàn).pdf

1、隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，高性能微處理器設(shè)計變得更加復(fù)雜，而占微處理器芯片總面積70％的存儲系統(tǒng)是微處理器中最為核心的部分。高速緩沖存儲結(jié)構(gòu)是其中最重要的設(shè)計之一。微處理器的高速緩沖存儲器主要采用兩級緩沖結(jié)構(gòu)，分別是第一級高速緩存（L1 Cache）和第二級高速緩存(L2 Cache)。L1 Cache的速度與CPU運行的速度相當(dāng)，但容量小(16KB~32KB，單個存儲體的容量為4KB)。L2 cache作為芯片處理器存儲通路的中樞，不

2、僅是CPU核CorePac吞吐數(shù)據(jù)的關(guān)鍵通路，同時也是CorePac與其它核間實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的接口。因此L2 cache的性能對芯片整體性能的影響是十分重大的。提高L2 cache的性能可以顯著提高微處理器的性能。L2 cache容量較大（512KB~1MB），單個存儲體的容量可達16KB），速度比L1 Cache低（比L1 Cache速度降低1.5~3倍)。而讀電路是存儲體（SRAM）的關(guān)鍵路徑，所以優(yōu)化關(guān)鍵路徑上的延時可以有效提高存儲

3、器的時序性能，因此大容量高性能低功耗的存儲體(SRAM)成為L2 Cache設(shè)計者追求的目標。
　　本文首先對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)SRAM的電路深入研究，隨著工藝節(jié)點降低，傳統(tǒng)的6管存儲單元的穩(wěn)定性問題日益凸顯，也是當(dāng)今6管單元存儲單元SRAM設(shè)計面臨的主要瓶頸，隨著讀寫分離存儲單元的出現(xiàn)，存儲單元讀寫穩(wěn)定性提高，讀寫噪聲容限增大。其中8管存儲單元在高性能低功耗和高可靠性方面最具有發(fā)展?jié)摿Α?br>　　其次本文對典型的單端口敏感放大電路進行研

4、究分析表明，全擺幅的多米諾（Domino）單端口敏放結(jié)構(gòu)隨著存儲器深度的增加，功耗延時都明顯惡化。偽差分敏放電路和耦合電容單端敏放受PVT變化易產(chǎn)生影響，可控性和穩(wěn)定性差。且后者有較大的耦合電容，占用較大版圖面積。結(jié)合傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的問題，本論文提出基于TBP（Trip Bit-line Point，TBP）結(jié)構(gòu)的單端口敏感放大電路，以其較低的位線（BL）預(yù)充電壓，使功耗得到大幅改善，隨著存儲器容量增大，性能和功耗沒有明顯的惡化，在各種工藝拐

5、角下性能穩(wěn)定，可靠性高。
　　最后從性能和功耗兩個方面出發(fā)，采用全定制的設(shè)計方法，在65nm工藝下，基于TBP單端口敏放結(jié)構(gòu)，分析并設(shè)計了一款適用于L2 cache的存儲體，采用的是8管結(jié)構(gòu)存儲單元，其容量為16KB。在功能正確的前提下，具有較高的讀性能，較低的功耗，較高可靠性。版圖后的仿真結(jié)果表明，在典型的工藝拐角（TT corner）下，新型敏放結(jié)構(gòu)存儲器與傳統(tǒng)商用compiler生成的相同容量的存儲器相比，以犧牲37.65%