| 近年來,以移動(dòng)電話手機(jī)為首的便攜信息處理終端發(fā)展迅速,功能日益增多。通過無線接入Internet,便攜式信息處理終端用戶可以享受到音樂或畫面數(shù)據(jù)之類的信息提供服務(wù)。為此,便攜信息設(shè)備的生產(chǎn)廠家為適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)文化時(shí)代的新需求,不得不擴(kuò)充RAM的存儲(chǔ)容量,并努力實(shí)現(xiàn)便攜設(shè)備的低功耗化。
把CPU的數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)起來的RAM,眾所周知,從來都是利用異步低功耗靜態(tài)的SRAM。但是,SRAM一增加到8Mb以上的大容量,則SRAM芯片的單價(jià)十分昂貴,從而就會(huì)導(dǎo)致便攜設(shè)備的成本升高。世界各半導(dǎo)體廠家,都在探討降低SRAM成本的新方法。
日本NEC公司利用0.22μm CMOS工藝,把動(dòng)態(tài)DRAM單元和異步SRAM接口組合,成功地制造出面向便攜信息處理終端的16Mb RAM芯片——μPD4616112。本文通過介紹這種新型RAM芯片的產(chǎn)品特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù),來觀察面向便攜式設(shè)備的RAM技術(shù)發(fā)展動(dòng)向。
μPD4616112的產(chǎn)品特點(diǎn)和概況
μPD4616112 作為16Mb RAM芯片產(chǎn)品確實(shí)具備一些獨(dú)到的特點(diǎn)：它不需要由外面進(jìn)行刷新操作（盡管它是利用DRAM存儲(chǔ)單元）,它和低功耗SRAM之間保持兼容;為了使它能同低功耗SRAM之間進(jìn)行互相替換,有意安排封裝引線端配置使兩者通用;通過附加新工作模式控制引出端,在備用時(shí)可設(shè)定電源關(guān)斷模式（Power-down Mode）,力圖實(shí)現(xiàn)低功耗化。
該16Mb RAM電路采用1Mb×16B結(jié)構(gòu)的低功耗 SRAM兼容RAM,存儲(chǔ)單元為DRAM單元,芯片尺寸為21.8mm2,實(shí)現(xiàn)了小型化。該電路產(chǎn)品規(guī)范如表1所示。
表1 16Mb RAM產(chǎn)品規(guī)范
| 項(xiàng)目 | 規(guī)范 | | RAM電路結(jié)構(gòu) | 1Mb×16B | | 電源電壓 | 2.6～3.0V | | 存取時(shí)間 | 80ns/90ns/100ns | | 通常備用狀態(tài)時(shí)的最大電流 | 100uA(要刷新操作) | | 電源關(guān)斷模式(Power-down Mode) | 10uA(不刷新操作) | | 工作時(shí)最大電流 | 35mA | | 封裝結(jié)構(gòu) | 48引線FBGA |
在該16Mb RAM電路里,準(zhǔn)備有2種備用模式。通過新增加的模式控制端的信號(hào)設(shè)定,既可實(shí)現(xiàn)通常的保持已有數(shù)據(jù)的備用模式又可實(shí)現(xiàn)根本不保持已有數(shù)據(jù)的Power-down Mode。在通常的備用狀態(tài)下,消耗電流為100μA;但是,若用Power-down Mode,則僅消耗10μA,這和低功耗 SRAM抑制功耗的水平相當(dāng)。在便攜式信息設(shè)備里,當(dāng)在不進(jìn)行鍵盤操作的備用狀態(tài)下,往往都不需要保留RAM里的數(shù)據(jù),這時(shí)通過設(shè)定Power-Down Mode,可大幅度節(jié)省電力消耗,對(duì)于延長(zhǎng)蓄電池的供電時(shí)間非常有利。
該電路采用小型化48引線FBGA封裝結(jié)構(gòu),在系統(tǒng)電路板上占居很小的面積。而且,該芯片上的焊盤設(shè)計(jì)已考慮到和快閃存儲(chǔ)器芯片組合應(yīng)用,兩者可以通過疊層封裝形成多芯片封裝MCP（Multi Chip Package）結(jié)構(gòu)。
新技術(shù)應(yīng)用
1. 芯片小型化技術(shù)
為了使這種RAM芯片小型化,在芯片布局方面采取了許多措施。例如,把該16Mb RAM劃分成多個(gè)子系統(tǒng),包括電源子系統(tǒng)、I/O子系統(tǒng)、地址子系統(tǒng)、控制電路子系統(tǒng)、譯碼器子系統(tǒng)和存儲(chǔ)單元子系統(tǒng);其中,存儲(chǔ)單元?jiǎng)澐譃樽笥覂纱箨嚵校?096×2048位）,分別占據(jù)芯片中央兩側(cè);緊靠存儲(chǔ)單元的外圍是行譯碼器和列譯碼器,再在外層的上側(cè)分布有電源、控制電路和I/O各子系統(tǒng)。此外,為使芯片小型化,根據(jù)上述基本結(jié)構(gòu)布局開展電源布線和焊盤優(yōu)化配置。
2. 自刷新技術(shù)
作為DRAM單元,要想能同SRAM存儲(chǔ)單元在功能上實(shí)現(xiàn)兼容,不僅需要SRAM的異步接口,而且更重要的是解決刷新問題。因?yàn)镈RAM為了使那些不是頻繁地被訪問的存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)也能保存下來,在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)由輸入端輸入命令使之進(jìn)行刷新操作。作為用于刷新操作的輸入命令,在一般情況下,執(zhí)行CBR（/CAS Before/RAS）刷新。當(dāng)執(zhí)行CBR刷新命令期間,缺點(diǎn)是不能訪問存儲(chǔ)單元（讀/寫）。
對(duì)于NEC公司開發(fā)的新型16Mb RAM,由于當(dāng)工作或備用狀態(tài)時(shí)能在芯片內(nèi)進(jìn)行自刷新,于是不必像以往那樣麻煩地再由外部輸入刷新命令。無疑,這對(duì)用戶是很方便的,用這種16Mb RAM可直接替換價(jià)格昂貴的Low Power SRAM芯片。關(guān)于在芯片內(nèi)部產(chǎn)生的刷新信號(hào),是通過內(nèi)置的刷新定時(shí)電路和地址計(jì)數(shù)器電路產(chǎn)生的,這些電路利用分時(shí)處理方法,使得芯片工作時(shí)能夠妥善地進(jìn)行正常的訪問和內(nèi)部單元的刷新。
3. 降低功耗技術(shù)
在該16Mb RAM里,因?yàn)榧词故窃谕ǔ５膫溆脮r(shí)也和工作時(shí)是一樣地需要刷新操作,備用時(shí)仍要消耗AC電流。特別是位線上的讀出放大電路和字線升壓用的電源泵電路里,消耗電流占到一半。關(guān)于讀出放大電路,由于采用位線劃分效果,使在每次刷新動(dòng)作里的位線充放電流削減。
在電源泵電路里,試圖通過升壓電平優(yōu)化和電流變換效率優(yōu)化,削減消耗電流,并且通過優(yōu)化刷新周期,抑制備用態(tài)電流。若是刷新定時(shí)電路的周期增長(zhǎng),可以減少交流平均電流消耗,可是卻有損存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)保持特性容限。也就是說,通常的備用態(tài)電流和數(shù)據(jù)保持特性容限之間需要權(quán)衡,不能硬行削減電流。
因此,備用態(tài)電流和數(shù)據(jù)保持特性容限需綜合平衡,優(yōu)化出刷新周期。在該16Mb RAM電路里,通過引信程序（Fuse Program）電路改變刷新周期時(shí)間,利用冗余測(cè)試（Redundancy Test）實(shí)現(xiàn)刷新周期時(shí)間優(yōu)化。
在Power-down Mode時(shí),由于不進(jìn)行刷新,晶體管僅流過關(guān)斷時(shí)的漏電流。通過改進(jìn)晶體管特性,使漏電流限制在10μA以下,可以實(shí)現(xiàn)和以往Low Power SRAM同等的備用態(tài)電流。
4. 抗噪聲技術(shù)
�。�1） 電源-地線噪聲
當(dāng)采用異步接口時(shí),關(guān)于噪聲要比以往的SRAM更加需要注意。因?yàn)镈RAM單元的情況,由于存在電源-地線噪聲、輸入噪聲,即使是字線短時(shí)間選擇和在讀出狀態(tài)也都能使存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)被破壞。
因?yàn)樵摦a(chǎn)品是21.8mm2的很小的芯片,當(dāng)采用疊片MCP等高密度封裝時(shí),鍵合引線很長(zhǎng),引線電感增加。為了削減引線電感的影響,配置電源電容器,削減峰值直流,增加電源-地線焊盤數(shù)量。此外,在寫啟動(dòng)、芯片啟動(dòng)等控制信號(hào)上設(shè)置濾波器,防止引起誤動(dòng)作。
�。�2） 串?dāng)_噪聲
該16Mb RAM里,由于電源子系統(tǒng)發(fā)生種種直流電平,將會(huì)影響信號(hào)線。為此,電源子系統(tǒng)集中配置,電源布線應(yīng)遠(yuǎn)離其他信號(hào)線,嚴(yán)防產(chǎn)生串?dāng)_。實(shí)踐證明,行之有效。
5. 低電壓化技術(shù)
采用低電壓供電,同樣供應(yīng)出芯片所需要的電流,芯片功耗可以降低。但是,由于低電壓將導(dǎo)致芯片的速度劣化,為此,采用一系列高速化手段：把1個(gè)存儲(chǔ)單元陣列分成兩塊,謀求字線選擇的快速性;同時(shí)將位線也分割,減輕讀出放大器的負(fù)荷,爭(zhēng)取快速讀出。
在常溫條件下,讀取時(shí)間和電源電壓之間的依存關(guān)系如下：電源電壓為3.5V時(shí),存取時(shí)間約為40ns;電源電壓下降到3.0V時(shí),存取時(shí)間增加到50ns;當(dāng)電源電壓下降到2.6V時(shí),存取時(shí)間增加到60ns;當(dāng)電源下降到2.1V時(shí),存取時(shí)間增加到70ns。按照產(chǎn)品規(guī)范要求,即使電源電壓下降到2.1V時(shí),存取時(shí)間仍小于規(guī)范要求的80ns。這些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,該16Mb RAM芯片是具備足夠的余量,確保實(shí)用可靠。
小結(jié)
Internet的普及應(yīng)用,使便攜信息處理終端日益紅火,因而便攜設(shè)備的低功耗化和對(duì)大容量RAM需求就迫在眉睫,從而迫使元器件廠家生產(chǎn)大容量、低功耗且低成本的SRAM。
在研究與開發(fā)適合上述要求的SRAM過程中,NEC公司的與Low Power SRAM兼容的16Mb RAM新產(chǎn)品穎脫而出,采用了將DRAM和SRAM接口組合的新法,并且還要沿著這條道路繼續(xù)發(fā)展下去。這一事實(shí),至少說明NEC此舉也不失為一種研究與開發(fā)新型RAM器件技術(shù)的新方法,值得關(guān)注。雖然以DRAM單元置換SRAM單元,似乎異想天開,但是這種μPD61612型16Mb RAM新產(chǎn)品,已經(jīng)確實(shí)能實(shí)現(xiàn)目前SRAM產(chǎn)品尚不能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)：大容量、低功耗和低成本。因此,這種以DRAM單元置換SRAM單元方法非常值得關(guān)注。
（王耘 編譯）
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