作者：2017級本科生 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、嵌入式動態(tài)存儲、納米繼電器、更長的保留時間、一步刷新
摘要
如今，嵌入式動態(tài)存儲（eDRAM）需求量越來越大。與內(nèi)存不同，eDRAM與處理器集成在一起，因此可以帶來更高帶寬以及更小面積，在很多領(lǐng)域如物聯(lián)網(wǎng)、傳感、邊緣計算等都有著廣泛的應(yīng)用。其中，三晶體管嵌入式動態(tài)存儲（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需要通過刷新來保持數(shù)據(jù)，而隨著陣列規(guī)模的增大，刷新操作會消耗大量的能量并嚴重影響性能。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解決3T eDRAM刷新帶來的問題。第一種利用NEM Relay作為寫晶體管減小漏電，可以極大降低刷新能耗甚至可以針對特殊應(yīng)用進行優(yōu)化實現(xiàn)非易失。第二種利用NEM relay作為存儲晶體管以延長數(shù)據(jù)保留時間，并提出一步刷新策略，可以極大降低刷新帶來的能耗和阻塞問題，并且延長設(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、4個甚至5個端口。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操作，因此沒有閾值壓降。由于這些良好的性質(zhì)，NEM Relay廣泛出現(xiàn)在傳感、存儲以及可編程邏輯陣列等應(yīng)用中。
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圖片1 納米繼電器
納米繼電器作為寫晶體管的2T1N/C eDRAM (DATE 2020)
刷新操作源于電荷泄漏。3T eDRAM主要有三個漏電路徑：通過寫晶體管（最多）、通過存儲晶體管柵極以及通過源漏處的反偏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寫晶體管的漏電，進而延長數(shù)據(jù)保留時間以及降低刷新功耗。在一些對低功耗有特殊需求的場景甚至可以使用厚柵晶體管來減少通過存儲晶體管柵極的漏電，將數(shù)據(jù)保留時間延長到年，實現(xiàn)幾乎非易失。
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圖片2 納米繼電器作為寫晶體管的2T1N/C eDRAM
納米繼電器作為存儲晶體管的2T1N/C eDRAM (TCAS-II)
如果用NEM Relay作為存儲晶體管，可以利用NEM Relay的滯回特性來延長數(shù)據(jù)保留時間，同時可以使用全新的one-shot refresh讓刷新‘0’和刷新‘1’所使用的方法一樣。這樣做有幾個好處：1）可以省去原來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，縮短了刷新時間；3）極大降低了刷新功耗；4）極大減小了刷新對正常讀寫訪問帶來的阻塞，極大地提高了eDRAM的性能。
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圖片3 納米繼電器作為存儲晶體管的2T1N/C eDRAM
