High-speed low-power 0.5-V 28-nm FD-SOI 5T-cell SRAMs

par Khajaahmad Shaik

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Amara Amara, Andrei Vladimirescu et de Kiyoo Itoh.

Soutenue le 25-02-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Informatique, télécommunications et électronique (Paris) , en partenariat avec Laboratoire d'Informatique, Signal et Image, Electronique et Télécommunication (laboratoire) .

Le jury était composé de M. Mehrez, Jean-François Naviner, M. Alioto, M. Raghavan, M. Belleville, M. Legat.

  • Titre traduit

    Haute-vitesse faible-puissance 0.5V 28nm FD-SOI 5T cellule SRAM


  • Résumé

    L'objectif de cette thèse est d'atteindre 0,5 V haute vitesse faible puissance SRAM. Pour ce faire, les cellules SRAM de pointe, des tableaux et des architectures de bus sont examinées. Les questions difficiles sont alors précisées. Pour répondre aux exigences, une cellule de 5T d'alimentation statique de puissance boostée, combiné avec WL boosté et milieu point de détection et d'un tableau de multi divisé BL ouvert sont proposées et évaluées. Pour encore accélérer l'opération d'écriture, un tableau de 4Kb sélectivement stimulé puissance alimentation 5T cell est proposé et évalué par simulation. Nous découvrons que le point milieu de détection avec moitié VDD BL precharge est plus stable lors de lire que la VDD complet conventionnelle precharge. En outre, pour atteindre un bus robuste à grande vitesse de faible puissance 0,5-V,une architecture de bus dynamique avec un bus factice, qui se compose d'un pilote de dynamique et d'un récepteur dynamique, est proposée. Le pilote dynamique permeten particulier de grande vitesse même à 0,5 V avec overdrive porte accrue enchangeant les lignes électriques de VDD/2 en mode veille avec VDD en mode actif. Ilaccélère encore avec l'aide du bus factice cette impulsion gena pour suivre le point dedétection tension du bus pour réduire l'oscillation de l'autobus. Ensuite, unearchitecture de bus 0,5-V 28 nm FD-SOI 32 bits à l'aide de la proposition estevaluaevaluated par simulation. Il s'avère que l'architecture a un potentiel à exploiterun bus 1-pF à 50-mV swing, 1,2 GHz et un courant de veille de 1,1 µA, avec x3-5 plus rapidement et plus de deux ordre plus faible courant de veille que l'architecture statique conventionnelle.


  • Résumé

    The goal of the thesis is to achieve 0.5-V high-speed low-power SRAMs. To do so, state-of-the-art SRAM cells, arrays, and bus-architectures are reviewed. The challenging issues are then clarified as 1) reduction of the minimum operating voltage VDD (Vmin) of the cell, 2) reducing bitline (BL)-active power, and 3) achieving low-power bus architecture. To meet the requirements, a static boosted-power-supply 5T cell, combined with boosted-WL and mid-point-sensing, and an open-BL multi-divided-array are proposed and evaluated. Layout and post-layout simulation with a 28-nm fully-depleted planar-logic SOI MOSFET reveal that a 0.5-V 5T-cell 4-kb array in a 128-kb SRAM core is able to achieve x2-3 faster cycle time and x11 lower power than the counterpart 6T-cell array, suggesting a possibility of a 730-ps cycle time at 0.5 V.To further speed up the write operation, a selectively-boosted-power-supply 5T-cell 4-kb array is proposed and evaluated by simulation, showing that the 4-kb array operates at 350-ps cycle with x6 faster cycle time and x13 lower power than the 6T-cell array, while maintaining a small leakage current. We find out that the mid-point-sensing with half-VDD BL-precharging is more stable during read than the conventional full-VDD precharging. Furthermore, to achieve a 0.5-V low-power high-speed robust bus, a dynamic bus architecture with a dummy bus, which consists of a dynamic driver and a dynamic receiver, is proposed. In particular, the dynamic driver enables high speed even at 0.5 V with increased gate-over-drive by changing the power lines from VDD/2 in the standby mode to VDD in the active mode. It further speeds up with the help of the dummy bus that generates a pulse to track the bus-voltage detecting point for reducing the bus swing. Then, a 0.5-V 28-nm-FD-SOI 32-bit bus architecture using the proposal is evaluated by simulation. It turns out that the architecture has a potential to operate a 1-pF bus at about 50-mV swing, 1.2 GHz, and a standby current of 1.1 µA, with x3-5 faster and more than two-order lower standby current than the conventional static architecture. Based on the results, further challenges to 0.5-V and sub-0.5-V SRAMs are described.

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