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作者：2017級(jí)本科生  鐘宏濤  電子工程系

指導(dǎo)老師：李學(xué)清  電子工程系

關(guān)鍵詞：低功耗、嵌入式動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)、納米繼電器、更長(zhǎng)的保留時(shí)間、一步刷新

摘要

如今，嵌入式動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)（eDRAM）需求量越來(lái)越大。與內(nèi)存不同，eDRAM與處理器集成在一起，因此可以帶來(lái)更高帶寬以及更小面積，在很多領(lǐng)域如物聯(lián)網(wǎng)、傳感、邊緣計(jì)算等都有著廣泛的應(yīng)用。其中，三晶體管嵌入式動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)（3T eDRAM）憑借其良好的集成性以及適中的單元面積和速度備受青睞。然而，由于3T eDRAM需要通過(guò)刷新來(lái)保持?jǐn)?shù)據(jù)，而隨著陣列規(guī)模的增大，刷新操作會(huì)消耗大量的能量并嚴(yán)重影響性能。本工作利用納米繼電器（NEM Relay）的優(yōu)良特性并提出了兩種方案來(lái)解決3T eDRAM刷新帶來(lái)的問(wèn)題。第一種利用NEM Relay作為寫(xiě)晶體管減小漏電，可以極大降低刷新能耗甚至可以針對(duì)特殊應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化實(shí)現(xiàn)非易失。第二種利用NEM relay作為存儲(chǔ)晶體管以延長(zhǎng)數(shù)據(jù)保留時(shí)間，并提出一步刷新策略，可以極大降低刷新帶來(lái)的能耗和阻塞問(wèn)題，并且延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

納米繼電器

NEM Relay是一種與CMOS集成性良好的器件，可以有3個(gè)、4個(gè)甚至5個(gè)端口。NEM Relay有很多良好的特性，如關(guān)斷狀態(tài)漏電極低、成熟的工藝等，其中4T NEM Relay甚至可以分離讀操作和寫(xiě)操作，因此沒(méi)有閾值壓降。由于這些良好的性質(zhì)，NEM Relay廣泛出現(xiàn)在傳感、存儲(chǔ)以及可編程邏輯陣列等應(yīng)用中。

圖片1  納米繼電器

納米繼電器作為寫(xiě)晶體管的2T1N/C eDRAM (DATE 2020)

刷新操作源于電荷泄漏。3T eDRAM主要有三個(gè)漏電路徑：通過(guò)寫(xiě)晶體管（最多）、通過(guò)存儲(chǔ)晶體管柵極以及通過(guò)源漏處的反偏PN結(jié)（最少）。該工作利用NEM Relay關(guān)斷狀態(tài)漏電極低的特性可以有效抑制通過(guò)寫(xiě)晶體管的漏電，進(jìn)而延長(zhǎng)數(shù)據(jù)保留時(shí)間以及降低刷新功耗。在一些對(duì)低功耗有特殊需求的場(chǎng)景甚至可以使用厚柵晶體管來(lái)減少通過(guò)存儲(chǔ)晶體管柵極的漏電，將數(shù)據(jù)保留時(shí)間延長(zhǎng)到年，實(shí)現(xiàn)幾乎非易失。

圖片2  納米繼電器作為寫(xiě)晶體管的2T1N/C eDRAM

納米繼電器作為存儲(chǔ)晶體管的2T1N/C eDRAM (TCAS-II)

如果用NEM Relay作為存儲(chǔ)晶體管，可以利用NEM Relay的滯回特性來(lái)延長(zhǎng)數(shù)據(jù)保留時(shí)間，同時(shí)可以使用全新的one-shot refresh讓刷新‘0’和刷新‘1’所使用的方法一樣。這樣做有幾個(gè)好處：1）可以省去原來(lái)刷新操作所需要的讀操作；2）將刷新從逐行刷新變成全陣列一起刷新，縮短了刷新時(shí)間；3）極大降低了刷新功耗；4）極大減小了刷新對(duì)正常讀寫(xiě)訪問(wèn)帶來(lái)的阻塞，極大地提高了eDRAM的性能。

圖片3  納米繼電器作為存儲(chǔ)晶體管的2T1N/C eDRAM