Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19840712Elc024.shtml

Анализ функциональных возможностей, закладываемых в новое поколение динамических ЗУПВ емкостью 256К

Питер Линдер (Peter Linder)
Фирма Texas Instruments Inc. (Хьюстон, шт.Техас)

Роджер Норвуд (Roger Norwood)
Фирма Texas Instruments Inc. (Хьюстон, шт.Техас)

Нгай Ханг Хонг (Ngai Hung Hong)
Фирма Texas Instruments Inc. (Хьюстон, шт.Техас)

Peter Linder, Roger Norwood, Ngai Hung Hong. Designers weigh options for 256-K dynamic-RAM processes, pp. 104—107.

Обсуждаются архитектурные решения и функциональные возможности, которые должны быть заложены в конструкцию нового поколения динамических ЗУПВ емкостью 256К. Применение в этих приборах памяти режимов скрытой регенерации делает их с внешней точки зрения идентичными статическим ЗУПВ, а развитые режимы адресации фактически обеспечивают управление разрядностью слов памяти.

Среди всех изделий полупроводниковой промышленности кристаллы динамических ЗУПВ всегда находились на переднем крае технологии и техники. Непрерывный рост сложности внутренних схем на кристаллах памяти в сочетании с достижениями в области материало- и металловедения, химии и фотолитографии обеспечил выход на новые уровни плотности упаковки, быстродействия и надежности при одновременном снижении рассеиваемой мощности и стоимости. Продолжающееся развитие всех этих разнообразных областей технологии и техники послужило основой для создания новых серий динамических ЗУПВ емкостью 256К, которые уже начинают появляться на рынке.

Эти кристаллы памяти характеризуются усовершенствованной схемной архитектурой, обеспечивающей повышенные рабочие характеристики, применением новых материалов и технологических методов, уменьшающих размеры запоминающих элементов и повышающих быстродействие и надежность, и использованием резервных схемных блоков, увеличивающих выход годных в производстве ЗУ (см. «Резервирование повышает выход годных без ущерба для надежности») .

Однако в этих кристаллах не только улучшены такие традиционные качественные показатели, как быстродействие и плотность упаковки, но и обеспечена простота применения в широком диапазоне приложений. Поэтому сейчас они появляются в виде целых серий с новыми функциональными возможностями и конфигурациями, что делает их более совершенными и гибкими в функциональном отношении по сравнению со своими предшественниками емкостью 16К и 64К.

До сих пор динамические ЗУПВ находили применение главным образом в больших компьютерах, в частности в универсальных ЭВМ, поэтому их функциональные возможности были достаточно жестко стандартизированы (хотя по внутренней конструкции разные приборы памяти отличаются друг от друга). Для универсальных ЭВМ, в которых многочисленные кристаллы памяти работают в окружении большого числа вспомогательных схем, лучше всего подходит некоторый стандартный кристалл, недорогой и не слишком сложный в функциональном отношении. По этой причине развитие производства приборов памяти шло главным образом по пути повышения плотности упаковки и быстродействия при одновременном снижении цены. Развитию специальных управляющих функций уделялось мало внимания, так как при необходимости их всегда можно было реализовать на уровне схемных плат, при этом дополнительные расходы раскладывались сразу на большое количество компонентов памяти.

Специализация

Новые кристаллы памяти емкостью 256К*1 бит отлично подходят для систем основной памяти универсальных ЭВМ. Однако в настоящее время во все большем числе приложений с высокоразвитыми вычислительными возможностями предъявляются высокие требования к объемам памяти, и это обстоятельство послужило для полупроводниковых компаний стимулом для адаптации своих изделий к новым сферам применения. Кроме того, увеличение временного интервала между последовательными поколениями ЗУ различной информационной емкости, связанное с непрерывным усложнением технологии, дает инженерам — конструкторам приборов памяти дополнительное время на разработку специализированных моделей своих изделий. В настоящее время в ответ на требования заказчиков из специализированных областей применения изготовители ЗУ ведут работу по повышению скорости обмена данными, снижению «зернистости» (granularity) систем памяти и упрощению режимов регенерации и требований к ним.

В больших системах памяти конструкторы добиваются высокой скорости обмена данными с помощью поочередной выборки запоминающих элементов из разных кристаллов — либо параллельной, либо с некоторым сдвигом во времени. Такие технические решения для небольших систем памяти могут оказаться значительно менее подходящими. В небольшой системе памяти для организации поочередной выборки может просто не хватить кристаллов ИС, особенно по мере роста информационной емкости отдельных кристаллов как таковых. Возможное решение данной задачи в такой ситуации — это переход на динамические ЗУПВ с многоразрядными словами, в которых можно считывать или записывать сразу по 4 или 8 бит информации. Такие кристаллы с многоразрядными словами позволяют повысить скорость обмена данными с памятью в 4 или 8 раз без изменения общей информационной емкости системы и количества кристаллов в ней. (Для таких систем предложены даже кристаллы памяти с 9-бит словами, в которых дополнительный бит предназначен для обнаружения ошибок.)

Еще более раннее решение задачи повышения скорости обмена данными с памятью — это цикл страничной выборки, в котором сначала для выборки первого бита некоторой строки требуется одно полное время выборки ЗУ, отсчитываемое от строба адреса строки. Но после этого простое циклическое повторение строба адреса столбца CAS позволяет последовательно выбрать все остальные биты данной строки в течение относительно коротких циклов обращения по сигналу CAS. Дальнейшее повышение скорости обмена данными можно будет получить путем применения ЗУ с многоразрядными словами и страничным режимом выборки, например создаваемых в настоящее время динамических ЗУПВ емкостью 64К*4 бит.

Однако страничный режим выборки все же оказывается слишком медленным для некоторых приложений, в которых используется один кристалл памяти с одноразрядными словами. Для подобных ситуаций предлагаются такие кристаллы памяти, как TMS4257 фирмы Texas Instruments Inc., в которых предусмотрен так называемый слоговый режим выборки. В этом режиме при выборке одного бита, по существу, происходит внутренняя выборка сразу четырех битов, хотя реально передается только один из них. После этого каждый из остальных трех битов можно последовательно выбрать с помощью импульсов CAS, как это делается в страничном режиме выборки. Однако типовая длительность цикла выборки одного из битов слога составляет 40 нс, поэтому такой режим обеспечивает очень высокую скорость пакетного обмена данными. Следует отметить, что кристаллов памяти, в которых были бы предусмотрены как страничный, так и слоговый режимы выборки, в настоящее время не существует, так как в обоих этих режимах управление выборкой ведется импульсами на входе CAS, при логическом 0 на входе RAS.

За последнее время были предложены и другие способы решения задачи увеличения скорости обмена данными с памятью, в том числе непрерывный слоговый режим — гибрид слогового и страничного режимов. В непрерывном слоговом режиме выборки можно иметь очень быстрый доступ к большим массивам данных, но только в последовательном варианте. Другое возможное решение — это многопортовые кристаллы памяти, например ЗУ TMS4161 фирмы TI, оснащенное дополнительным портом последовательного доступа. Обычные циклы обращения выполняются в этом ЗУ через порт произвольной выборки, а через последовательный порт можно с очень высокой скоростью считать в последовательном виде целую строку данных.

Другая важная для ряда систем памяти характеристика — это «зернистость» или минимально возможное приращение информационной емкости системы памяти в байтах. Например, в системе памяти с 8-бит словами, выполненной на кристаллах динамических ЗУПВ емкостью 64К*4 бит, минимальный вариант системы имеет емкость 64К байт и содержит всего два кристалла (рис.1). Наращивать эту систему памяти можно только блоками по 64К байт. Если такая же система построена на кристаллах памяти с организацией 256К*1 бит, то ее минимальный вариант содержит уже восемь кристаллов и имеет полную информационную емкость 256К байт. Такую систему можно наращивать только блоками по 256К байт. Следовательно, требование малой «зернистости» означает, что при работе с кристаллами памяти емкостью 256К систему лучше всего было бы выполнить на одном кристалле с организацией 32К*8 бит — тогда ее «зернистость» составит 32К байт.

В этой подсистеме памяти для получения емкости 64К байт требуются всего два кристалла емкостью 64К*4 бит. Логические схемы управления памятью разделяю
Рис.1. В этой подсистеме памяти для получения емкости 64К байт требуются всего два кристалла емкостью 64К*4 бит. Логические схемы управления памятью разделяют байт данных между двумя кристаллами динамических ЗУПВ. Когда процессору требуется считать некоторый байт данных, схемы управления вновь объединяют обе его половины.

Вопросы регенерации

Вероятно, наиболее интенсивно конструкторы динамических ЗУПВ сейчас обсуждают вопрос выбора функциональных возможностей управления регенерацией. Традиционные неавтоматические методы регенерации гарантируют, что в течение интервала регенерации каждая строка или будет выбрана извне, или регенерирована с помощью сигнала на входе RAS. За последнее время приобрел популярность режим скрытой регенерации, в котором при логическом 0 на входе CAS подаются импульсы на вход RAS. В этом режиме в первом цикле по RAS происходит считывание памяти, а при подаче последующих адресов строк — ее регенерация. Считанные в первом цикле выбора строки данные остаются действительными в течение всех последующих циклов регенерации, эффективно маскируя эти циклы регенерации от системы памяти.

Однако для выполнения всех упомянутых выше видов регенерации требуются внешние дополнительные логические схемы, генерирующие адреса регенерации и строб-сигналы (рис.2). В небольших системах памяти стоимость этих дополнительных схем может оказаться настолько высокой, что экономически целесообразнее будет применение статических ЗУПВ, хотя их информационная емкость меньше, чем у динамических. Чтобы избежать этого, можно часть или все необходимые дополнительные схемы включить в состав кристаллов памяти. В простейшем случае используется встроенный счетчик, генерирующий адреса регенерации. Однако при этом по-прежнему для запуска регенерации на кристалл следует подавать извне управляющий сигнал.

Для выполнения регенерации в системах памяти на базе динамических ЗУПВ требуются специальные логические схемы. В новых кристаллах памяти с высокой пло
Рис.2. Для выполнения регенерации в системах памяти на базе динамических ЗУПВ требуются специальные логические схемы. В новых кристаллах памяти с высокой плотностью упаковки эти отдельные схемы регенерации (показаны двойной рамкой) будут выполняться в виде встроенных схем в составе самих кристаллов.

Некоторые изготовители кристаллов емкостью 64К используют для запуска регенерации 1-й контакт корпуса. При подаче на этот контакт отрицательного импульса кристалл автоматически записывает адрес регенерации в буферы адреса строки, увеличивает содержимое внутреннего счетчика адреса на единицу и инициирует цикл регенерации. В некоторых моделях ЗУ в состав, кристалла включен таймер; если уровень логического 0 на 1-м контакте сохраняется в течение длительного времени, то кристалл автоматически переключается в режим растянутой регенерации. В этом режиме специальные встроенные схемы периодически генерируют последовательные адреса регенерации и автоматически выполняют циклы регенерации. У метода управления регенерацией по 1-му контакту есть и свои противники, в частности, по той причине, что в динамических ЗУПВ емкостью 256К этот контакт служит восьмым адресным входом.

Альтернативой методу управления регенерацией по 1-му контакту является приобретающий все большую популярность метод регенерации CAS-перед-RAS. В технических условиях всех изготовителей ЗУ оговорено, что при нормальной работе ЗУ уровень логического 0 на вход RAS всегда подается раньше, чем на вход CAS. Поэтому имеется возможность использовать обратную последовательность этих сигналов в качестве признака запуска режима регенерации. Когда такой запуск происходит, адрес регенерации из внутреннего счетчика регенерации записывается в буферы адреса строки, содержимое этого адресного счетчика увеличивается на единицу и выполняется цикл регенерации. Регенерацию типа CAS-перед-RAS можно весьма успешно сочетать со скрытой регенерацией, так что на плате памяти можно выполнять регенерацию всех входящих в ее состав кристаллов при сохранении выходных данных.

Однако наиболее сложный из всех существующих методов регенерации используется в псевдостатическом ЗУПВ, которое некоторые поставщики называют еще интегрированным ЗУПВ. В состав кристалла такой ИС входят все функциональные блоки регенерации динамических ЗУПВ, тогда как с внешней точки зрения она так же проста в применении, как статическое ЗУПВ. Операции регенерации инициируются в нем внутренними схемами, когда таймер покажет, что они необходимы, а специальный сигнал считывания сообщает процессору, что данный кристалл памяти занят. Если такой кристалл одновременно получает внешний запрос памяти и внутренний запрос на регенерацию, то специальные встроенные схемы сами решают, какой из запросов будет обслужен, а какой — поставлен в очередь. Схемы управления ЗУ сообщают процессору, что данный кристалл памяти занят. Такая комбинация средств автоматической регенерации оказывается особенно привлекательной в кристалле с 8- или 9-бит словами, в котором к тому же предусмотрена адресация без мультиплексирования. Подобный кристалл можно успешно использовать в небольшой системе с минимальным количеством вспомогательных схем.

Окончательный «внешний вид» ИС памяти определяется организацией ее матрицы запоминающих элементов. Хотя возможных вариантов архитектуры динамического ЗУПВ существует столько же, сколько самих конструкций этих приборов, большинство архитектурных решений определяется технологией изготовления ЗУ и возможным размером кристалла. В идеальном случае кострукторы стремятся получить минимально возможные сопротивления разрядных (столбцовых) и словарных (строчных) линий. В свою очередь технология изготовления этих соединений диктует выбор местоположения и конфигурации усилителей считывания и размещения дешифраторов. Все эти факторы могут оказывать чрезвычайно сильное влияние на рабочие характеристики кристалла памяти.

Циклы регенерации

Минимальное количество циклов, за которое можно регенерировать все содержимое ЗУ, определяет количество его внутренних строк и столбцов. Например, для регенерации ЗУПВ емкостью 256К за уже ставшие практически стандартными 256 циклов нужно в каждом таком цикле регенерировать 1К бит памяти. А это означает, что ЗУ должно содержать 1024 усилителя считывания (т.е. 1024 столбца) и 256 словарных линий (т.е. 256 строк). С практической же точки зрения более удобно квадратное адресное пространство, так как в этом случае количество адресных контактов минимально. Это означает, что вместо 10 адресных контактов, изкоторых при выборке строки используется толькочасть и только при выборке столбца используются все, потребуется 9 контактов, которые полностью используются в обоих случаях. Лишний адресный разряд, вводимый вместе с адресом строки, запоминается и затем используется вместе состальной частью адреса столбца.

Хотя внешнее адресное пространство кристалла может быть квадратным (512*512 бит), его физическая конфигурация имеет вид 256*1024 бит. Такая асимметрия конфигурации может приводить к очень большой длине словарных линий и соответствующим ей большим внутренним задержкам сигналов. Поэтому на практике матрицу запоминающих элементов можно разделить на секции, в каждой из которых словарные лиции возбуждаются независимо. В результате задержки в словарных линиях уменьшаются в число раз, равное количеству таких секций. Кроме того, дешифратор тоже можно разделить, поместив его между двумя секциями, что уменьшает задержку в словарной линии без увеличения потребляемой мощности. Это эквивалентно результату, который был бы получен при удвоении размеров дешифраторов строк. В динамическом ЗУПВ разрядные линии (столбцовые линии, подключенные к емкостным запоминающим элементам) можно размещать по спаренной или разнесенной схеме (рис.3). К усилителю считывания всегда подключаются две разрядные линии, а каждая из них может быть подключена к запоминающим элементам, транзисторы которых управляются сигналами на словарных линиях. В любой момент времени в одной разрядной линии имеется один выбранный запоминающий элемент, а в другой — выбранный опорный конденсатор. В ЗУ с разнесенными разрядными линиями эти линии расходятся от усилителя считывания в противоположные стороны, так что две разрядные линии каждой пары находятся в топологически разных матрицах. В ЗУ со спаренными линиями две разрядные линии одного усилителя идут рядом друг с другом в одной и той же матрице с одной стороны усилителя считывания.

Хотя архитектура с разнесенными разрядными линиями характеризуется более простой топологией, применение спаренных разрядных линий повышает помехоустой
Рис.3. Хотя архитектура с разнесенными разрядными линиями характеризуется более простой топологией, применение спаренных разрядных линий повышает помехоустойчивость динамических ЗУПВ. Разделенные усилители считывания в динамических ЗУПВ с двухматричной организацией уменьшают размеры разнесенных разрядных линий.

Главное преимущество архитектуры со спаренными разрядными линиями состоит в том, что обе линии обычно воспринимают одинаковые помехи, так как проложены рядом друг с другом. Это дает повышение помехоустойчивости, так как усилители считывания обеспечивают хорошее подавление синфазной помехи.

Однако топология матрицы запоминающих элементов со спаренными разрядными линиями получается более сложной, чем матрицы с разнесенными линиями. При разнесенных разрядных линиях запоминающие элементы располагаются в каждой точке пересечения словарной и разрядной линий. При спаренных линиях соседние разрядные линии подключены к одному и тому же усилителю считывания, поэтому каждая словарная линия выбирает запоминающий элемент только в одной из двух этих разрядных линий.

В динамическом ЗУПВ в результате выборки запоминающего элемента происходит очень небольшое изменение напряжения на разрядной линии. Это изменение есть результат перераспределения хранимого заряда между электрическими емкостями разрядной линии и запоминающего элемента. Для передачи и восстановления данных усилитель считывания должен правильно отработать и усилить этот сигнал. По этим причинам амплитуда сигнала в основном зависит от величины отношения емкости разрядной линии к емкости запоминающего элемента. Следовательно, емкость разрядной линии всегда должна быть минимальной.

С ростом информационной емкости ЗУ к каждой разрядной линии подключается все большее число запоминающих элементов. Это влечет за собой удлинение разрядных линий и соответствующее увеличение их емкостей. Один из возможных способов решения данной проблемы — разделение одного усилителя считывания между двумя парами разрядных линий меньшей длины. Размещение усилителя считывания в середине пары спаренных разрядных линий и отключение от него невыбранной половины при отработке сигнала позволяют, по существу, удвоить величину считываемых сигналов. Однако такой подход требует применения низкоомных разрядных линий, например алюминиевых, так как в этом случае данные должны проходить через усилитель считывания по разрядным линиям (если не использовать более сложную и дорогую двухуровневую металлизацию).

Перспективные технологические методы

С ростом информационной емкости ЗУ приходилось совершенствовать и технологию их изготовления. Это необходимо для получения в новых кристаллах памяти преимуществ и в рабочих характеристиках. До настоящего времени наиболее показательным параметром ЗУ, а также параметром, который в наибольшей степени зависит от технологии изготовления кристаллов памяти, является его быстродействие. Для повышения быстродействия необходимо во всех областях кристалла использовать низкоомные межсоединения.

В большинстве БИС ЗУ емкостью 64К в качестве межсоединений применяются один уровень алюминия, два слоя легированного обычным способом поликремния и один диффузионный слой в кремниевой подложке. В большинстве случаев один из слоев поликремния выполняет функцию верхней обкладки запоминающих конденсаторов в элементах матрицы памяти и больше ни для чего не используется. Наиболее распространены архитектуры с металлическими разрядными и поликремниевыми словарными линиями или с металлическими словарными и диффузионными разрядными линиями. Каждый из вариантов имеет свои преимущества и недостатки, однако в связи с тем, что как диффузионные, так и поликремниевые линии — проводники относительно высокоомные, либо разрядные линии,. либо словарные линии получаются неполноценными. В результате задержки сигналов в соответствующих сигнальных линиях оказываются достаточно большими.

При информационной емкости 256К размеры матрицы памяти становятся еще больше, поэтому соответствующие паразитные задержки уже накладывают недопустимые ограничения на быстродействие ЗУ. Выход только один — добавить один или два низкоомных соединительных слоя. Одно из решений предусматривает формирование дополнительного слоя металлических проводников — из алюминия или из тугоплавкого металла (тантала, титана, вольфрама или молибдена). В другом варианте один из двух соединительных слоев поликремния можно заменить полицидным слоем, который представляет собой составную структуру из тугоплавкого металла и поликремния. Преимущество такого подхода состоит в том, что он не только уменьшает в 10 раз сопротивление проводников, но и позволяет использовать низкоомный полицид (который в основном состоит из поликремния) в качестве материала для затворов транзисторов. Третий, менее распространенный подход предусматривает покрытие диффузионного слоя сверху слоем тугоплавкого металла.

В большинстве анонсированных к настоящему моменту кристаллов емкостью 256К используются спаренные металлические разрядные линии. Словарные линии обычно выполнены из по-лицида или обычного поликремния с шунтирующими перемычками во втором слое металлизации. Наилучшие рабочие характеристики достигаются с помощью двух уровней металлизации, однако такой подход существенно усложняет технологический процесс и потенциально снижает выход годных приборов.

Дочерние статьи:

Резервирование повышает выход годных без ущерба для надежности

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 57, No.14 (695), 1984г - пер. с англ. М.: Мир, 1984, стр.29

Electronics Vol.57 No.14 July 12, 1984 A McGraw-Hill Publication

Peter Linder, Roger Norwood, Ngai Hung Hong. Designers weigh options for 256-K dynamic-RAM processes, pp. 104—107.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Полупроводниковая техника





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19840712Elc024.shtml