Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Текущее состояние и перспективы развития устройств энергонезависимых ЗУ 13
1.1. Области применения энергонезависимых ЗУ 13
1.2. Сравнительные характеристики твердотельных ЭЗУ 16
1.3. Тенденции развития флэш ЗУ 20
1.4. Реконфигурируемые флэш ЗУ 28
Выводы 30
Глава 2. Элементы памяти и принципы работы флэш ЗУ 31
2.1. Анализ ячеек памяти флэш ЗУ 31
2.2. Типы ячеек памяти ФЗУ 35
2.3. Физические принципы работы ФЯП 48
2.4. Построение ФЯП 67
Выводы 72
Глава 3. Методика проектирования накопителя флэш ЗУ 74
3.1. Типы архитектур накопителя ФЗУ 74
3.2. Анализ перспективности имеющихся архитектур построения ФЗУ 87
3.3. Помехи взаимовлияния в массивах ФЗУ NOR-типа 93
3.4. Секционирование накопителя ФЗУ 102
3.5. Методика проектирования накопителя ФЗУ 109
Выводы 111
Глава 4. Флэш ЗУ 1 Мбит 113
4.1. Ячейка памяти ФЗУ 115
4.2. Накопитель ЗУ 117
4.3. Схема последовательного заполнения буфера записи 120
4.4. Высоковольтный блок 122
4.5. Управление током записи ФЯП 128
4.6. Высоковольтные буферы 129
4.7. Блок резервирования 131
4.8. Аппаратная и программная защита данных 133
4.9. Топологическая реализация и характеристики разработанной СБИС ФЗУ 1 Мбит 134
Выводы 137
Заключение 138
Список литературы 140
- Сравнительные характеристики твердотельных ЭЗУ
- Типы ячеек памяти ФЗУ
- Анализ перспективности имеющихся архитектур построения ФЗУ
- Схема последовательного заполнения буфера записи
Введение к работе
Диссертация посвящена созданию методики проектирования энергонезависимых КМОП флэш ЗУ (Flash memory, ФЗУ) с произвольной выборкой, сложнофункциональных (СФ) блоков и СБИС типа система на кристалле (СнК) на ее основе. Особое внимание уделено расчету флэш ячейки памяти (ФЯП) и построению накопителя ФЗУ.
ФЗУ - разновидность твердотельной полупроводниковой
энергонезависимой перезаписываемой памяти. Отличительными чертами ФЗУ от других видов полупроводниковых энергонезависимых ЗУ (ЭЗУ) являются следующие: а) ФЗУ построена либо на транзисторах с плавающим затвором, либо на транзисторах с многослойным диэлектриком, способных сохранять электрический заряд; б) в отличие от ЭСРПЗУ, в ФЗУ невозможны побайтовое стирание и запись информации [1]. Архитектура накопителя оптимизирована на максимальную плотность хранения данных и поэтому эти операции возможны только для больших блоков (210-220 байт).
В соответствии с документом «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008-2015 годы, №809 от 26 ноября 2007 г. определены приоритетные направления политики РФ в области развития электронно-компонентной базы (ЭКБ). Так, одно из мероприятий, описанное в данном документе - «Разработка семейств и серий изделий микроэлектроники», а в частности — «микроконтроллеров со встроенной энергонезависимой электрически программируемой памятью». Однако отсутствие ФЗУ отечественного производства и опыта их проектирования затрудняет решение этой задачи.
Применение СБИС ЭЗУ в современной электронике является особенно актуальным. Бурное развитие микропроцессорной и портативной электронной техники привело к тому, что практически повсеместно в электронных системах используются репрограммируемые ПЗУ. Развитие технологии изготовления интегральных схем позволило размещать в одном корпусе или даже на одном кристалле все более сложные устройства,
которые раньше можно было реализовать только на плате. Одной из задач
современной российской микроэлектроники является создание СБИС типа
«система на кристалле» (СнК). Если раньше на одном кристалле
располагалось устройство, выполняющее определенную функцию, то в
современных СБИС типа СнК размещается комплекс устройств,
представляющий собой целую законченную систему. Примером таких
устройств, использующих интегрированное ФЗУ, являются
микроконтроллеры [2]. Поэтому разработка СФ-блоков, на основе которых строится СБИС типа СнК, является приоритетной задачей, решение которой позволит отечественным производителям снизить долю иностранной ЭКБ в отечественных электронных системах. Особенно важно развитие собственной ЭКБ для приложений, в которых использование импортной электроники ограничено или запрещено.
Выпускаемые в настоящее время ФЗУ можно разделить на два основных типа - с последовательной и произвольной выборкой. Накопитель ФЗУ первого типа, как правило, состоит из последовательно соединенных ячеек памяти (ЯП), что эффективно увеличивает плотность их размещения [1]. Однако применение ФЗУ такого типа для хранения исполняемого кода затруднено или невозможно. В накопителе ФЗУ второго типа ЯП соединены параллельно, что обеспечивает высокую скорость произвольной выборки [1]. Как правило, СФ-блоки построены на основе ФЗУ именно такого типа [2]. Таким образом, создание методики проектирования ФЗУ такого типа является актуальной задачей.
Работы по проектированию и изготовлению ФЗУ в нашей стране находятся на начальном этапе, что создавало дополнительные проблемы, такие как отсутствие готовых методик, программных пакетов и технологий. Получение же готовых методик и программных пакетов, являющихся конфиденциальной информацией фирм-разработчиков затруднительно. Поэтому необходимо было создать (с учетом мирового опыта) собственные методы и средства проектирования и на их основе — СБИС и СФ-блоки ФЗУ,
не уступающие по совокупности характеристик типовым зарубежным аналогам, изготовленным с соблюдением аналогичных проектных норм.
Подавляющее большинство СБИС проектируются и изготовляются по КМОП технологии вследствие известных достоинств последней — минимальной статической потребляемой мощности и низкой стоимости изготовления ИС. Поэтому актуальной становится задача проектирования ЭЗУ для интегрирования в СнК, изготавливаемых по отечественной КМОП технологии.
Цель диссертации - исследование особенностей структур, алгоритмов функционирования, конструктивных особенностей ФЗУ, разработка методики проектирования ФЗУ с произвольной выборкой и использование этой методики при создании семейства СБИС и СФ-блоков ФЗУ на основе отечественной технологической базы.
Для достижения данной цели необходимо решение следующих задач:
Анализ вариантов архитектур и характеристик СБИС и СФ-блоков ФЗУ.
Анализ схемотехнических решений, элементов и блоков ФЗУ.
Создание методики и средств проектирования ФЗУ с произвольной выборкой, в том числе с использованием предложенных автором архитектурных и схемотехнических решений.
Проектирование, изготовление и испытание СБИС и СФ-блоков ФЗУ, имеющих требуемые характеристики, с помощью созданных методик, стандартных и разработанных средств проектирования.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Методика расчета параметров флэш ячейки памяти, позволяющая
определить ее важнейшие физические параметры, включая размеры
плавающего затвора и изолирующих слоев.
Способ коррекции помехи избыточного стирания, позволяющий упростить и ускорить эту процедуру по сравнению с известными способами коррекции.
Методика проектирования накопителя флэш ЗУ NOR-типа (с произвольной выборкой), учитывающая помехи взаимовлияния флэш ячеек памяти в накопителе и позволяющая реализовать способы снижения влияния этих помех.
Архитектурные, схемотехнические и топологические решения основных функциональных блоков СБИС флэш ЗУ с произвольным доступом, включая матрицу накопителя, блок резервирования и высоковольтный блок. Использование в разработанной СБИС блока резервирования позволяет повысить выход годных изделий с 5 до 10% для данной технологии.
Результаты тестирования разработанного флэш ЗУ емкостью 1 Мбит, подтверждающие выполнение основных требований ТЗ.
Научная новизна диссертации:
Разработана методика расчета флэш ячейки памяти, позволяющая определить ее важнейшие физические параметры, включая размеры плавающего затвора и изолирующих слоев. !
Проведен анализ помех взаимовлияния флэш ячеек памяти в массиве накопителя. Предложены способы, позволяющие снизить влияние этих помех и тем самым гарантировать сохранность данных во флэш ЗУ в течение всего срока эксплуатации. !
Обоснован выбор различных видов реконфигурации: опциональной, позволяющей включать/отключать программную защиту данных; структурной, позволяющей управлять резервированием СБИС «и изменять скорости стирания/программирования флэш ячейки памяти; реконфигурации тестовых блоков, включающей в себя настройку режимов тестовых элементов, встроенных в кристалл.
4. На основе выполненных в работе исследований предложена методика проектирования накопителя флэш ЗУ с произвольной выборкой, позволяющая впервые провести полный цикл проектирования отечественной флэш ЗУ.
Практическая значимость результатов диссертации.
Практическая значимость заключается в том, что:
с использованием предложенной методики разработана СБИС флэш ЗУ емкостью 1 Мбит с произвольным доступом по отечественной технологии с проектными нормами 0,8 мкм;
создан набор библиотечных элементов, предназначенный для проектирования флэш ЗУ в САПР Cadence;
реализован блок резервирования строк накопителя, позволяющий повысить выход годных изделий;
обоснован и реализован способ задания тока записи флэш ячейки памяти для страничной записи;
результаты диссертации внедрены в ОАО "Ангстрем" при разработке СБИС флэш ЗУ с произвольным доступом, что^ подтверждается полученным актом о внедрении.
Диссертация состоит из четырех глав и списка литературы.
В первой главе проведен обзор различных сегментов рынка ЭЗУ, выделенных в зависимости от характеристик последних. Проведено сравнение современных видов твердотельных ЭЗУ, основанных на различных физических принципах действия. Приведены основные технические характеристики СБИС и СФ-блоков ФЗУ и представлены общие тенденции их развития, сформулированные на основе анализа характеристик новейших выпускаемых и перспективных (планируемых к изготовлению) СБИС. Рассмотрены различные возможные виды реконфигурации в ФЗУ и проанализированы их особенности, влияющие на технические
характеристики и другие потребительские качества конечных изделий. Отмечена перспективность разработок реконфигурируемых ФЗУ. Определены варианты перспективных отечественных разработок данного типа с учетом спектра возможных применений.
Вторая глава посвящена определению режимов работы ЯП ФЗУ. В главе проанализированы особенности существующих и перспективных видов ЯП. Даны рекомендации по выбору оптимальной ЯП в зависимости от имеющегося техпроцесса и требований к характеристикам готового ФЗУ. Также проанализированы физические процессы, используемые при стирании, записи и хранении информации в ячейках памяти ФЗУ (ФЯП), на основе чего предложена методика расчета параметров ФЯП. Рассмотрены возможности структурной реконфигурации ФЗУ путем изменения параметров работы ФЯП в готовых СБИС.
В третьей главе проанализированы основные типы архитектур накопителя ФЗУ, проведен анализ их перспективности и даны рекомендации по областям применения. Особое внимание уделено непосредственно разработке накопителя. Для решения этой задачи проанализировано влияние помех, возникающих в накопителях ФЗУ во время их работы и влияющих на длительность хранения информации в ФЯП. Также проанализированы особенности секционирования накопителя ФЗУ. В результате предложена методика проектирования накопителя ФЗУ NOR-типа (с произвольным доступом).
В четвертой главе приведена схемотехника основных разработанных узлов ФЗУ, применявшихся при проектировании СБИС ФЗУ с емкостью 1 Мбит и с возможностью реконфигурации. Представлены результаты моделирования работы рассмотренных узлов. Проведено сравнение характеристик произведенной СБИС ФЗУ с характеристиками ФЗУ производства Hitachi, изготовленной по аналогичной технологии.
Апробация диссертации.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах:
Научно-техническая конференция "Электроника, микро- и наноэлектроника", 2004 г. (г. Н. Новгород), 2005 г. (г. Вологда), 2006 г. (г. Гатчина), 2007 г. (г. Пушкинские горы), 2008 г. (г. Петрозаводск). Научные сессии МИФИ-2004 и МИФИ-2008.
Результаты диссертации были использованы при проведении ОКР "Такт-1" с ОАО "Ангстрем" (г. Зеленоград) по разработке СБИС флэш ЗУ 1 Мбит.
Сравнительные характеристики твердотельных ЭЗУ
В настоящее время существует множество видов твердотельных ЭЗУ, основанных на различных физических принципах действия. В частности это ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием и записью электрическим сигналом (УФРПЗУ), ПЗУ со стиранием и записью электрическим сигналом, ФЗУ и т.д. Причем ФЗУ можно разделить на два основных типа в зависимости от используемой архитектуры накопителя (см. Гл.2, пар.З). Это NOR ФЗУ, т.е. ФЗУ с накопителем, построенным на основе параллельного соединения ячеек памяти (ЯП) и NAND ФЗУ - ФЗУ с накопителем, построенным на основе последовательного соединения ЯП. В настоящий момент идет активное исследование и пробное производство ЗУ на основе изменения фазы вещества (PRAM), магнитных ЗУ (MRAM) и ферроэлектрических ЗУ (FRAM).
Проанализировав данные в табл. 1.1, можно сделать вывод, что в настоящее время по совокупности параметров ФЗУ являются наиболее перспективным из всех видов твердотельных ЭЗУ, представленных на рынке и в анонсах. Они имеет наименьший размер ЯП, поскольку последняя содержит всего один транзистор и, соответственно, наибольшую плотность хранения информации, которая может быть еще увеличена в несколько раз путем использования многоуровневых ЯП (MLC). В настоящий момент выпускается ФЗУ, позволяющая хранить два бита в ЯП и уже представлены экспериментальные образцы, хранящие до 4-х бит в ЯП [7].
Использование опции производства ФЗУ в рамках стандартного КМОП процесса дешевле интеграции тех видов ЭЗУ, для производства которых требуется применение новых материалов. Интеграция других видов ЭЗУ, кроме и ЭСРПЗУ, требует использования новых материалов и, как следствие, существенного удорожания техпроцесса производства. Использование же ЭСРПЗУ вследствие ее малой по сравнению с ФЗУ плотностью хранения информации может быть оправдано лишь в тех случаях, когда необходима возможность побайтового стирания информации в ЭЗУ [4].
Поэтому СФ-блоки ФЗУ наиболее часто используется при создании СБИС типа «система-на-кристалле» (СнК), когда на одном кристалле требуется разместить память, процессорное ядро, аналого-цифровые интерфейсы и т.д.
Наконец, ФЗУ имеет наибольший объем среди представленных в настоящее время на рынке СБИС полупроводниковой энергонезависимой памяти, в несколько десятков раз превосходя по этому показателю другие виды твердотельных ЭЗУ.
В целом, по совокупности характеристик, ФЗУ — абсолютный лидер среди твердотельных ЭЗУ, применяемых в настоящее время в электронной аппаратуре.
Тем не менее, ФЗУ имеет и недостатки, указанные в табл. 1.1, такие как медленное стирание и запись информации и требуемое для этих операций высокое напряжение (генерируемое обычно встроенным в кристалл умножителем напряжения). Также можно отметить невысокое по сравнению с другими видами ЭЗУ количество циклов записи/стирания.
Такой параметр как время хранения информации, превышающий для всех рассмотренных видов ЭЗУ 10 лет, является неофициальным стандартом при разработке ЭЗУ. Следует отметить, что для его подтверждения производители ЭЗУ используют собственные ускоренные тесты, имитирующие долгое время хранения информации. Собственный аналитический способ оценки данной величины предложен в Гл.2, пар.3.3.
Существуют ФЗУ, в которых данный параметр равен 20 [8] или даже 100 [9,10] годам. Такие ФЗУ могут быть востребованы в технике специального назначения.
Активно развиваются такие виды твердотельных ЭЗУ как ЗУ на основе изменения фазы вещества (PCRAM), магнитные ЗУ (MRAM), ферроэлектрические ЗУ (FRAM) и т.д., предлагая потребителям все новые характеристики и преимущества. Но и ФЗУ продолжает развиваться -помимо простого масштабирования существующих архитектур [11] разрабатывается ЗУ на нанотрубках [12], обещая новый качественный скачок характеристик.
В настоящее время СБИС ФЗУ как энергонезависимый, емкий, дешевый, малопотребляющий, ударопрочный [3], компактный носитель информации прочно заняли свое место как на рынке мобильных устройств, так и стационарной технике, а также в аппаратуре специального назначения. СБИС ФЗУ могут быть классифицированы по следующим техническим характеристикам: Информационная емкость N, бит. Данный параметр показывает, сколько бит может одновременно храниться в данном ЗУ. Как правило, для описания емкости современных СБИС используются производные этой единицы: 1 Мбит=220 бит, 1 Гбит=230 бит.
Разрядность М, бит. Характеризует число двоичных разрядов, которые можно одновременно выбрать при обращении к данному ЗУ. Разрядность кратна 2к, где к - целое неотрицательное число. Наиболее распространенные СБИС ФЗУ имеют разрядность 1, 8 и 16 бит.
Быстродействие. Характеризуется большим набором временных параметров, основными из которых являются: а) время произвольной выборки; б) время последовательной выборки; в) время стирания блока; г) время стирания СБИС; д) время записи страницы. Следует отметить, что для ФЗУ с накопителем на основе параллельного соединения ЯП первые два параметра совпадают и составляют, как правило, десятки не. В тоже время для ФЗУ с накопителем на основе последовательного соединения ЯП эти параметры различаются на несколько порядков. Типовые значения данных параметров приведены в гл.З пар.1 при обзоре соответствующих архитектур накопителя ФЗУ.
Типы ячеек памяти ФЗУ
Общий вид ЯП изображен на рис.2.1. Программирование данной ЯП осуществляется при помощи метода инжекции горячих электронов [45]. Для этого на сток и управляющий затвор подаются положительные напряжения, причем напряжение, подаваемое на управляющий затвор, в 1,5-3 раза выше [44]. Горячие электроны из канала инжектируются на плавающий затвор и изменяют ВАХ транзистора. При стирании высокое напряжение подается на исток. На управляющий затвор может быть подано дополнительное отрицательное напряжение. Благодаря эффекту туннелирования Фаулера-Нордхейма (ФН) [45] электроны с плавающего затвора туннелируют на исток.
В данном типе ЯП для записи и стирания используется процесс туннелирования электронов. Общий вид ЯП такой же, как и для ЯП с многослойным затвором (см. рис.2.1). Основные отличия от предыдущей ЯП - более тонкий подзатворный окисел (7-8 нм против 9-10 нм) и другие профили канала и стока/истока, оптимизированные для программирования и стирания плавающего затвора при помощи метода ФН-туннелирования. Скорость программирования отдельной ЯП при этом на несколько порядков ниже, чем в случае использования инжекции горячих электронов. Поскольку ток программирования мал (десятки пА), используется параллельная запись в большое (более 1000) число ЯП. За счет снижения толщин изолирующих диэлектриков, надежность туннелируемой ЯП ниже, чем у ЯП с многослойным затвором. Поэтому в массивах ФЗУ на ее основе обычно предусмотрены дополнительные ЯП для схем коррекции ошибок [52]. Достоинства: - малый размер ЯП (зависит выбранной архитектуры накопителя); - низкое энергопотребление записи/стирания [53]; - малый ток записи [51]. Недостатки: - тонкий туннельный окисел (7-8 нм); - низкая скорость программирования отдельной ЯП (0,3-1 мс) [45]; - необходимость в дополнительных ЯП для коррекции ошибок [52]; - большое число фотошаблонов (19-21) [51 ].
В данной ЯП к транзистору с плавающим затвором последовательно подключен обычный транзистор. Второй транзистор используется для изоляции ЯП от ШР. Благодаря этому одна избыточно стертая (см. п.3.3) ЯП не блокирует работу целой ШР. Стирание и программирование в данной ЯП осуществляются при помощи метода ФН-туннелирования, за счет чего получен низкий ток программирования (десятки пА) [51]. Однако скорость программирования при этом ниже, чем при инжекции горячих электронов. Данная ЯП применялась в ЭСРПЗУ и ранних версиях ФЗУ. В настоящий момент этот тип ЯП из-за своего большого размера не используется во ФЗУ, его применение актуально только в ЭСРПЗУ для возможности побитового изменения информации. Достоинства: - низкое энергопотребление записи/стирания (ток -10 пА) [51]; - высокая эффективность программирования [51]; - отсутствие эффекта избыточного стирания [51]; - высокое число циклов стирания/записи (105-106). Недостатки: - большой размер ЯП (около 30-45 F2) [54]; - большое число фотошаблонов (19-21) [51].
В данной ЯП применяется особая форма управляющего затвора, расположенного со сдвигом относительно плавающего (см. рис.2.4,а), что создает благоприятные условия для программирования и стирания. Такая конфигурация ЯП позволяет сократить расстояние от управляющего затвора до канала и, благодаря специальной конфигурации, повысить локальную напряженность электрического поля, одновременно уменьшив рабочее напряжение.
При программировании ЯП необходимо сообщить плавающему затвору отрицательный заряд. Для этого применяется процесс инжекции горячих электронов [55]. Сток заземляется, к истоку прикладывается напряжение 12 В; на управляющий затвор подается напряжение порядка 2 В, открывающее часть канала составного транзистора до области, под плавающим затвором. Электрическое поле, возникающее между истоком и стоком, генерирует горячие электроны с энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера между каналом и подзатворным окислом (3,2 эВ) и присоединения к заряду плавающего затвора (рис.2.5,а). Процесс останавливается естественным путем, когда результирующее электрическое поле плавающего затвора начинает препятствовать дальнейшему увеличению заряда на нем.
Стирание выполняется при помощи ФН-туннелирования электронов с плавающего на управляющий затвор. Для этого к управляющему затвору (ШВ) прикладывается высокое напряжение (14 В), в то время как исток и сток ЯП заземляются (рис.2.5,б). За счет выгнутой области у края плавающего затвора локальная напряженность электрического поля возрастает (см. пар.2.3.3), образуя благоприятные условия для туннелирования. По мере туннелирования на плавающем затворе формируется положительный заряд, препятствующий дальнейшему стиранию. Использование туннелирования при локально усиленном поле (field enhanced tunneling) через толстый окисел для стирания позволяет удешевить производство благодаря отказу от производства тонкого (8 нм) окисла. Контроль однородности толстого окисла дешевле и проще. Кроме того, при использовании толстого окисла улучшается сохранность данных, поскольку случайное туннелирование через толстый окисел менее вероятно, чем через тонкий. Дополнительно «износ» толстого окисла имеет намного больше предсказуемый механизм появления дефектов (trap up type mechanism) [56]. Толстый окисел гораздо меньше чувствителен к дефектам, которые могут привести к нарушению надежности хранения информации.
Анализ перспективности имеющихся архитектур построения ФЗУ
Анализ состояния современного рынка ФЗУ и представленных на нем архитектур ФЗУ показал, что более половины продаваемых в настоящее время СБИС ФЗУ построены по NAND-архитектуре, обеспечивающей более высокую емкость и меньшую энергию перезаписи относительно конкурирующей NOR-архитектуры, и эта доля продолжает расти. Доля остальных архитектур (DiNOR и AND) на рынке незначительна и, в связи с высокими требованиями к применяемому техпроцессу, их разработка представляется нецелесообразной.
Привлекательным решением для применения в устройствах, требующих хранения как исполняемого кода, так и больших объемов данных выглядит ФЗУ с OneNAND-архитектурой, совмещающая в себе высокий объем ФЗУ с NAND-архитектурой и удобный интерфейс ФЗУ с NOR-архитектурой. Однако поскольку схемы преобразования формата выходных данных занимают большую площадь на кристалле, производство ФЗУ такого типа объемом менее нескольких сотен мегабит экономически неоправданно.
Анализ внутренних архитектур СБИС ФЗУ фирм-лидеров в этой области показал, что, как правило, внутри одной фирмы используется одна из рассмотренных в пп.3.1.1—3.1.4 архитектур накопителя, каждая со своей предпочтительной областью применения. В тоже время этими фирмами предлагаются различные решения, позволяющие использовать свою архитектуру в нетрадиционных для нее областях применения (см. пп.3.1.5— 3.1.6).
Анализ используемых архитектур ФЗУ показывает, что если в микросхемах BIOS и телефонах преимущественно используется ФЗУ с NOR-архитектурой, то в трЗ-плеерах, USB накопителях и картах памяти для различных устройств используются СБИС ФЗУ с NAND-архитектурой. Остальные архитектуры занимают относительно небольшой сегмент рынка и по типу внешнего интерфейса их, как правило, можно отнести к одной из двух вышеперечисленных архитектур.
Проведенный анализ динамики изменения рынка ФЗУ за последние 10 лет, показал, что популярность ФЗУ с NAND-архитектурой неуклонно растет. За последние 4 года ФЗУ с NOR-архитектурой занимают стабильно высокую долю на рынке ЭЗУ. Доля остальных архитектур на рынке незначительна.
Для более обоснованного выбора архитектуры накопителя будущей СБИС необходимо проанализировать существующие образцы и выделить основные критерии, по которым их можно сравнивать.
Архитектура накопителя ФЗУ влияет на такие параметры, как тип выборки, времена произвольной и последовательной выборки и информационная емкость СБИС при заданной площади. Первые три параметра описаны в п.3.1.1-3.1.6. Там же ставится проблема сравнения ФЗУ с различной архитектурой по последнему параметру, которая решается ниже.
Для ведущих архитектур NOR и NAND в доступной литературе [6,120] проводятся многочисленные сравнения эффективности использования площади СБИС. Тем не менее, существующие критерии сравнения имеют существенные недостатки. Так, указывая размер ФЯП при различных архитектурах накопителя, как правило, не учитывают вспомогательные элементы массива (транзисторы выборки, избыточные ФЯП, необходимые в NAND-архитектуре для коррекции данных и т.д.). Аналогично не учитывается размер периферийных схем, который может сильно разниться вследствие использования различных архитектур накопителя.
Другой подход к сравнению различных СБИС, встречающийся в обзорах фирм-производителей ФЗУ, использует такой параметр как эффективность хранения данных (bit storage efficiency), равный отношению информационной емкости СБИС к полной площади кристалла и измеряющийся в Мбит/мм2 [120]. Однако в существующей литературе данный параметр используется некорректно, поскольку при помощи него зачастую сравниваются СБИС, произведенные с применением разных технологических норм [121], что позволяет оценить в первую очередь преимущества масштабирования ФЗУ, но не преимущества различных архитектурных решений. Также под площадью в одних случаях понимается вся площадь кристалла, в других - только площадь массива памяти, что является некорректным, поскольку периферийные схемы могут занимать от 30 до 60 процентов площади кристалла в зависимости от применяемой архитектуры СБИС ФЗУ и используемых технологических норм.
Кроме того, напрямую могут сравниваться СБИС, построенные на основе одноуровневых и многоуровневых (см. Гл.2 пар.2) ФЯП [122], что некорректно, поскольку данные массивы имеют существенно (как правило, на два порядка) разную износостойкость и быстродействие.
Наконец в [123] для подчеркивания преимуществ одного типа архитектур над другим сравнивается многокристальная корпусированная СБИС (два кристалла в едином корпусе) с однокристальной. В первую очередь данный подход показывает преимущества используемого техпроцесса, но не особенности применяемой архитектуры.
Из анализа табл.3.2 можно сделать вывод, что коэффициент эффективности зависит не только от типа ЯП, архитектуры накопителя и производственных проектных норм, но и от объема СБИС (чем он больше, тем выше коэффициент) а также от наличия в техпроцессе технологий самосовмещения [124], позволяющих эффективно уменьшать размеры приборов на кристалле.
Схема последовательного заполнения буфера записи
При записи страницы возможна ситуация, когда пользователь вводит не все 128 байт. При этом оставшиеся байты, в зависимости от версии СБИС, при записи либо должны повторить свое предыдущее значение, либо быть установленными в единичное состояние. В разработанной СБИС используется последовательный метод установки значений этих байтов, поскольку для переноса данных (или установки единичных значений) из ФЯП в буфер записи используются имеющиеся 8 усилителей считывания-записи. Для управления этим процессом используется схема перебора адресов. В связи с тем, что с одной стороны массива ФЯП возможно разместить только 512 триггеров-защелок буфера записи (см. п.4.2), схема последовательного заполнения буфера записи также используется для переноса данных (64 байт) из защелок одной стороны в защелки другой в промежутке между двумя этапами записи верхней и нижней полустраниц. Время записи при этом возрастает незначительно, т.к. перенос каждого байта занимает около 100 нс (общее время около 6,4 мкс), а время, необходимое для записи двух полустраниц (при заполненном буфере записи) составляет единицы мс. Поскольку в данном случае необходимо перебрать только половину адресов, последний каскад счетчика отключается сигналом DOL#.
Для корректного дозаполнения буфера записи после ввода данных пользователем на каждый байт (8 защелок) необходим элемент, запрещающий запись в защелки, если информация в них уже занесена.
При записывании данных в защелки, генерируется сигнал ST# (индивидуальный для каждого байта), который устанавливает низкий уровень сигнала на выводе BTJDONE, отключая защелки от ШР и препятствуя дальнейшему изменению содержащейся в них информации.
Одной из ключевых схем, использующихся во ФЗУ с единым внешним напряжением питания, является высоковольтный блок, вырабатывающий необходимые напряжения для стирания и программирования ФЯП.
В [139] было проведено сравнение четырех типов УН. УН Диксона [140] наиболее эффективен по занимаемой площади, в то время как потребляемая им энергия (при умножении до 15 В) незначительно превышает этот показатель у других типов УН. Блок представляет собой 12-каскадный умножитель напряжения. При высоком уровне сигнала GEN начинает работу кольцевой генератор на инверторах и на выходе схемы появляется высокое напряжение. Каждый каскад увеличивает выходное напряжение на величину около 3,5 В (при напряжении питания 5 В). Около 1,5 В «теряется» на диодах в каждом каскаде. Столь большое падение напряжения на диодах объясняется тем, что они построены на стандартных высоковольтных транзисторах, используемых в доступном техпроцессе. При низком уровне сигнала GEN схема переходит в статическое состояние, в котором практически не потребляет энергию. УН работает только во время программирования или стирания ФЯП. Для обеспечения возможности изменения напряжений программирования и стирания в топологии предусмотрены соответствующие решения. Изменение данных напряжений может применяться как для отладки схемы, так и для регулирования скорости записи и потребления энергии СБИС (см Гл.2 пар.4) [141].
Для пропускания высокого напряжения на ШИ и ШВ в режимах стирания и программирования, соответственно, используются высоковольтные ключи. Для каждой строки массива используется отдельный ключ. При этом сигналы SL_V_L(R) и WL_V_L(R) одновременно подаются на все ключи левой (правой) половины массива. Выбор ШИ или ШВ, на которых должно присутствовать высокое напряжение, осуществляется при этом с помощью Х-дешифратора, расположенного между двумя половинами массива. Фрагмент дешифратора, высоковольтного ключа и страницы показан на рис.4.13.
Если на выходе дешифратора установлен высокий уровень напряжения (строка выбрана), то высоковольтный ключ открывается и пропускает высокое напряжение со входа V_IN на выбранную строку. Использование параллельной записи страницы (либо полустраницы) помогает снизить либо полностью избавиться от воздействий части помех в массиве ФЯП (см. п.3.3): Однако УН, расположенный на кристалле, не может выдать большой ток без существенного увеличения занимаемого им на кристалле места [139]. Таким образом, требуется ограничить ток, протекающий через ФЯП в процессе записи.
Для этой цели ток, протекающий через ФЯП в процессе записи, был ограничен путем задания епупри помощи токового зеркала (рис.4.15) [142]: Площадь защелки данных возросла на размер транзистора Ni и соответствующие межсоединения (в частности, увеличилась на 6%). Ток її, задаваемый в транзисторе Nb и будет током, протекающим через ФЯП в процессе записи. Подключая различное число транзисторов в задающей ветви токового зеркала на транзисторах Noi,... N0i, можно варьировать этот ток в широких пределах, в зависимости от нагрузочной способности УН. На тестовом кристалле были проведены исследования, показавшие возможность записи ФЯП при изменении тока її в широких пределах. Для требуемого времени записи полустраницы 3 мс (см. п.4.2) был выбран ток її амплитудой 100 нА. Также предусмотрена возможность изменения числа токозадающих транзисторов для возможности изменения тока записи.
Снижение тока записи приводит к снижению скорости записи отдельных ФЯП, однако за счет того, что вся страница записывается одновременно, общая скорость записи возрастает, а также упрощается схема управления записью. Запись страницы целиком также позволяет полностью исключить влияние таких помех, как постоянное стирание и постоянное программирование (см. п.3.3). Меньший ток записи требует меньшей ширины проводников, что позволяет более плотно компоновать ФЯП. Контроль тока записи помогает создать одинаковые условия для всех ФЯП, что приводит к их равномерному, прогнозируемому износу. За счет снижения тока увеличивается также циклоустойчивость ФЯП и предъявляются меньшие требования к источнику питания, что особенно актуально для портативных устройств.