一種適于FPGA芯片的SRAM單元及外圍電路設計

徐新宇，徐玉婷，林斗勛

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

目前，現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）被廣泛用于數(shù)字系統(tǒng)，而FPGA產(chǎn)品大多基于靜態(tài)存儲單元SRAM技術，通過采用SRAM單元陣列來存儲編程位，并由存放在SRAM中的程序來設置FPGA的工作狀態(tài)。

標準SRAM單元主要有三種結構：四管加TFT負載單元、四管加多晶負載單元和六管單元。其中采用六管單元設計的靜態(tài)存儲器生產(chǎn)工藝由于與CMOS工藝兼容性好，按比例縮小后其面積與多晶負載四管單元相當，在超大規(guī)模靜態(tài)存儲器設計中已被廣泛使用。

我們分析靜態(tài)存儲器六管單元的漏電原理，采用國內(nèi)某工藝線提供的40 nm的SPICE模型，對六管單元進行了仿真，設計完成SRAM單元以及其讀寫電路，并為靜態(tài)存儲器六管單元編寫了verilog語言描述的行為模型，用于FPGA芯片中大規(guī)模靜態(tài)存儲器的仿真驗證。

2 靜態(tài)存儲器SRAM單元靜態(tài)電流分析

圖1為六管結構SRAM單元。兩個PMOS管M3和M4是負載管，主要是用來補償存儲管和開關管的漏端電荷的泄放。與M3和M4構成反相器對的兩個NMOS管M1和M2是存儲管，數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的反分別存放在Q和QN點。而柵極與字線（WL）相連的兩個NMOS管M5和M6起開關的作用，BIT和BITN為兩條位線。

圖1 SRAM六管結構圖

以寫“1”為例來說明SRAM的寫過程。首先譯碼電路選中特定的存儲單元，然后使寫使能信號有效，將要寫入的數(shù)據(jù)“1”通過寫入電路變成了“1”和“0”后分別加到選中單元的兩條位線BIT和BITN上，此時選中存儲單元中的WL=“1”，晶體管M5和M6打開，把BIT和BITN上的信號分別傳送到Q和QN點，從而使Q=“1”，QN=“0”，這樣數(shù)據(jù)“1”就被鎖存在晶體管M1、M2、M3和M4所構成的鎖存器中。寫入數(shù)據(jù)“0”的過程與此類似。

以讀“1”為例來說明SRAM的讀過程。讀“1”時，首先預充電信號將BIT和BITN上拉，對BL和BL進行預充電，一般預充到電源電壓VDD，主要是為了防止發(fā)生誤操作。預充電后再通過行譯碼器選中某行，則某一存儲單元被選定，即WL選通。此時，由于其中存放的是“1”，Q=1，晶體管M2和M6導通，有電流經(jīng)過M2和M6到地，從而使BITN電位降低，BIT和BITN間產(chǎn)生電壓差；當電壓差增大到一定的程度后，打開靈敏放大器，對BIT和BITN間的電壓差進行放大；最后再將靈敏放大器的輸出接到三態(tài)輸出驅(qū)動器上，驅(qū)動器的輸出就是被讀出的數(shù)據(jù)，完成了整個讀過程。

由于工藝進入40 nm后，SRAM的漏電流將大大增加，從而產(chǎn)生存儲器功耗的問題。而六管結構的SRAM單元在設計上沒有結構性的靜態(tài)電流，其靜態(tài)電流主要取決于工藝。而且在電路待機狀態(tài)下，通常將BIT和BITN設置為高電平狀態(tài)，因此整個靜態(tài)存儲器的待機電流是由于MOS管的亞閾值電流引起的。

為了改善靜態(tài)存儲器的漏電流，我們采用高閾值晶體管替代普通晶體管設計完成SRAM單元設計，同時晶體管的W/L滿足SRAM設計的兩個基本條件，即數(shù)據(jù)讀取操作不破壞存儲單元存儲的信息和在數(shù)據(jù)寫入過程中存儲單元應該允許存儲信息的改變。采用不同閾值和溝長的MOS管構造的SRAM單元的漏電電流仿真結果如表1所示。

表1 SRAM單元待機電流仿真

從仿真結果可以看出，與溝長為40 nm（最小溝長）的MOS管相比，采用溝長為60 nm的MOS管構造的SRAM單元，其待機電流將減小一半左右。而且在版圖實現(xiàn)時，并不會大幅影響SRAM單元的面積。因此，將SRAM單元中MOS管的溝長修改為60 nm。

3 靜態(tài)存儲器單元的外圍讀寫電路設計

SRAM的外圍電路一般包括靈敏放大器、地址譯碼器、三態(tài)輸入/輸出緩沖器和控制邏輯等。靈敏放大器是靜態(tài)存儲器外圍讀寫控制電路的關鍵部件。它對整個存儲電路的性能有著極其重要的影響。由于存儲單元的器件充放電能力較弱，而它與連接的位線的電容較大，當對電路進行讀操作時，單元較弱的導電能力使位線的電壓擺幅很小，并且要使位線達到能拉動數(shù)字器件的擺幅需要很長的時間。因此，在位線的讀出輸出級必須設置靈敏放大器，加快電路的讀出速度。即當讀信號開始、被選中單元的傳輸管打開以后，存儲單元對位線放電（一般情況下，位線都會被預充到某一電平，讀出的過程是對單邊位線的放電過程）。當位線的電壓達到一定的擺幅，通常在幾百毫伏之內(nèi)時，就可以啟動靈敏放大器，將位線上的小擺幅電平迅速放大到邏輯電平“1”或“0”，送出到輸入端口。本文設計的靈敏放大器的結構如圖2所示，在讀信號readn為低電平有效時，靈敏放大器正常工作。

圖2 靈敏放大器電路圖

外圍電路中另一個重要的部件就是地址譯碼器。由于我們設計了3232行、1296×2列SRAM，地址線總線控制，數(shù)據(jù)線橫向控制，因此需要產(chǎn)生1296×2個地址，每個地址控制一列SRAM傳輸管的開啟。地址譯碼器的結構如圖3所示。

圖3 地址譯碼示意圖

由圖3可以看出，在地址譯碼電路里采用了級聯(lián)的方式。首先由分組地址cggroup[6]確定左右，cggroup[5:0]譯碼可以產(chǎn)生26=64個地址，此處采用前26個地址。每個group里又包含48個小地址，由cgaddr[5:0]譯碼產(chǎn)生。

4 實現(xiàn)及仿真

SRAM單元的實現(xiàn)版圖如圖4所示，單個SRAM單元的面積約為0.73 μm2。

為了驗證單個SRAM單元工作的正確性，本文采用40 nm工藝SPICE模型和1.1 V電源電壓進行仿真。圖5和圖6表示寫操作1和寫操作0時的波形，圖7和圖8表示讀操作1和讀操作0時的波形。

基于SRAM陣列，我們設計的整個電路功能模塊如圖9所示?？刂颇K負責產(chǎn)生電路所需的各類控制信號。數(shù)據(jù)移位寄存器將控制模塊送出的32位數(shù)據(jù)進行移位，形成3232位數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)線上準備好。當寫信號有效時，precharge信號無效，地址譯碼器將地址信號進行譯碼，將某列SRAM的WL線打開，將數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)寫入SRAM。寫操作完成后，precharge信號有效，將SRAM的data和datan拉高。當讀操作有效時，precharge信號無效，地址譯碼器將地址信號進行譯碼，將某列SRAM的WL線打開，將該列SRAM中存儲的數(shù)據(jù)讀出，再通過移位寄存器返回控制模塊。讀操作完成后，precharge信號有效，將SRAM的data和datan拉高。

圖4 SRAM實現(xiàn)版圖

圖5 寫“1”仿真波形

圖6 寫“0”仿真波形

圖7 讀“1”仿真波形

圖8 讀“0”仿真波形

圖9 電路簡化模塊圖

由于電路的規(guī)模比較大，而且涉及的模擬單元比較多，為了方便整體電路功能的仿真驗證，我們?yōu)樗械哪M單元編寫了用verilog語言描述的行為級模型。其中在SRAM的行為描述中，為了讀寫數(shù)據(jù)的不沖突，將BIT和BITN設置成了弱驅(qū)動。

我們采用JTAG模式對電路輸入32位數(shù)據(jù)，分別對兩列SRAM進行讀/寫操作，NC-verilog仿真波形如圖10所示。

圖10 整體電路仿真波形

5 結束語

我們根據(jù)foundry提供的40 nm工藝的NMOS、PMOS管的SPICE模型，分別對采用不同閾值的MOS管構造靜態(tài)存儲器SRAM產(chǎn)生的待機漏電電流進行了仿真比較，提出了一種采用高閾值MOS管的漏電電流較小的SRAM單元結構，并設計完成了讀寫控制電路以及地址譯碼電路，同時為了大規(guī)模電路仿真和驗證的需求，為SRAM單元以及相關模擬電路用verilog語言編寫了行為模型，完成了整體電路的仿真。

[1] 王媛媛，王子歐，張立軍. 一種適用于小尺寸工藝的SRAM單元設計[J]. 蘇州大學學報，2012，32（3）：51-55.

[2] SteevinckE, List FJ. Static-noise margin analysis of MOS SRAM cells[J]. IEEE JSSC,1987, 22(5): 748-754.

[3] MoshovosA,FalsafiB,NajmFN,et al. A case for asymmetriccell cache memories[J]. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration System, 2005, 13(7): 877-811.