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铁电存储器基本架构

日期:2021-01-25浏览:180次

铁电存储器的核心是铁电存储单元,我们铁电存储器的绝大部分电路都是围绕着存储单元来设计的。而铁电存储器除了存储单元组成的存储阵列外,一般还包括以下几个模块:译码电路、控制逻辑电路、灵敏放大器模块、ECC 模块、数据通路、地址通路等。下面将结合图 2-7 说明各个模块的作用。

译码电路是任何存储芯片都必须的一种电路结构,它用于将每一个地址变成One-hot(一位有效)的控制信号来控制存储单元。由于存储单元在阵列中呈矩形阵列式排布,必须有一个译码模块来将存储单元进行定位,目的是让外部控制逻辑,如灵敏放大器等,来对存储单元进行读写操作。译码模块一般分为行译码和列译码,分别对应矩形存储阵列的行和列。外部地址传导到行译码器和列译码器后,两个译码模块都将输出一个 One-hot 的信号连接到存储阵列,这两根信号相交叉的点即是外部电路需要进行读写操作的存储单元。

灵敏放大器电路的目的是将存储阵列中读出的数据的电压进行放大。在前文中对存储单元读写时序的介绍中我们ᨀ到,在读出数据时,我们需要给存储单元施加 PL 脉冲,同时使 WL 变为高电平,从而使铁电电容在位线上释放电荷,释放电荷后位线上便会产生电压。位线上产生的电压有两个特点,一是两根互补的位线上的电压有一定的差距,一根位线上的电压会比另一根位线上的高;二是两根位线上的电压都不是全摆幅,高电压的位线电压达不到电源电压,低电压的位线电压也大于 0。而存储器的外围电路,如数据锁存、ECC 等,都是数字逻辑,只能识别电源电压或接地电压。所以我们需要在存储阵列和外围数字逻辑之间加入一个灵敏放大器,用于将两根位线上的电压放大到全摆幅,放大过后再输出到外围的数字逻辑电路。

ECC 电路全称为错误检查修正(Error Correct Code)电路,它用于对存储数据的检查和修正。ECC 修正存储数据错误的方法是在存储器中添加一些冗余单元,然后将 ECC 编码译码电路放在存储器的数据通路上,对数据进行ECCs 的编码译码设计。当存储器存入 位数据时,数据便会经过 ECC 编码电路,编码电路会将 位数据编码得到位码字,再将 位码字存储到冗余的阵列之中。如果存储的数据有任何一位发生错误,则在读取数据时,读出的数据会经过 ECC 译码电路,译码器会将错误进行修正,恢复正确的 位数据。具体到本文的存储器设计,32 6

控制逻辑模块的作用顾名思义,就是控制电路中其余各个模块的正常工作。具体来说就是,控制逻辑模块会接收来自芯片外部的控制信号,如片选信号、写使能信号、读使能信号等,根据外部信号的行为,产生一定的时序逻辑信号,并输出到电路中的其余模块中,如灵敏放大器、数据锁存、地址锁存等,以控制其他模块的工作。控制逻辑模块是存储器能正常工作的核心模块,只有在这个模块输出的信号控制之下,其他模块才能正常的互相协作运行。

数据通路和地址通路的作用可以理解为暂存数据和地址。对于数据通路而言,芯片外部想要写入存储阵列的数据需要先进入缓存等待,等待的原因有以下几点:一是我们不一定会将每一次外部写入的数据都单独写入存储阵列,我们有可能需要等待外部连续写入几组数据后,再将数据锁存中的所有数据一次性写入存储阵列;二是由于 ECC 电路的存在,我们每次将数据写入存储阵列前,都需要将存储阵列中的数据读取出来,然后把新数据存入后重新让 ECC 模块进行编码,然后才能再将数据写入存储阵列;三是控制逻辑模块是控制数据写入存储阵列的模块,但是当外部数据进入存储器后,控制逻辑模块需要一定的时间准备并产生相应的时序控制信号后,才能将数据写入存储阵列。所以由于以上因素,必须有一个数据通路来暂存数据,并且可能不止需要一个数据锁存器(图 2-7 中只画出一个)。对于地址锁存而言,原理跟数据锁存类似,在地址信号进入存储器内部后,需要等待控制逻辑做出相应,地址信号才能传导至译码模块,所以需要一个地址锁存器来作为地址缓存,防止存储器发生错误。 

以上介绍的便是铁电存储器所必需的基本电路架构,这些电路模块是铁电存储器设计中的基础模块。但是由于铁电存储器所使用的铁电电容,相较于其他类型的存储器具有一定的特殊性,我们需要考虑铁电存储器本身的特点,加入其他的辅助电路,以使铁电存储器高效、正确的运行。

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