低功耗sram芯片位线的设计方法及电路结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及低功耗SRAM芯片中减少位线充放电功耗的设计方法，用电容将SRAM芯片位线上的电荷收集起来，再应用电荷泵原理将收集的电荷重新转移到位线上，减少位线充放电的功耗。
【背景技术】
[0002]SRAM,是英文Static RAM的缩写，B卩静态随机存储器(Static Random AccessMemory) 0它具有静态存取的功能，不需要刷新电路就能保存内部存储的数据。而DRAM，动态随机存储器(Dynamic Random Access Memory)每隔一段时间，要刷新充电一次,否则内部的数据即会消失，因此SRAM具有较高的性能，但是SRAM也有它的缺点，即它的集成度较低，相同容量的DRAM内存可以设计为较小的体积，但是SRAM却需要很大的体积，且功耗较大。
[0003]由于SRAM的这些特点，它的应用主要有两种。一种是置于CPU与主存间的高速缓存，它有两种规格:一种是固定在主板上的高速缓存(Cache Memory);另一种是插在卡槽上的C0AST(Cache OnA Stick)扩充用的高速缓存。第二种是CPU内部的告诉缓存，为了加速CPU内部数据的传送，自Intel公司的80486CPU起，在CPU的内部设计有高速缓存，到了奔腾(Pentium)系列时，Intel又对高速缓存分级，就有了所谓的一级高速缓存(LevelICache,通常简称LICache)和二级高速缓存(Level 2Cache,通常简称L2Cache)。之后安腾(Itanium)处理器又采用了三级高速缓存(Level3Cache,通常简称L3Cache)的概念。随着多核时代的到来，CPU并行处理数据的能力不断增强，它对高速缓存的容量有着更强的需求和依赖，Intel酷睿(Core)系列4核的CPU就有8M的L3Cache。集成在芯片内部的高性能、大容量SRAM已成为构建高性能CPU的基础，它是芯片面积的最大组成部分。随着CPU处理能力的不断增强，SRAM所占全芯片面积比例甚至将会进一步提高。
[0004]目前应用最为广泛的SRAM系统由:单元阵列、译码器、灵敏放大器、读写控制电路组成，其中单元阵列是最主要、面积最大的部分，图1为现有技术中6管基本单元组成的SRAM电路示意图，如图1所示，阵列中的每个基本单元由6个晶体管组成。除了这种传统的6管单元外，针对不同应用还有8管等其他基本单元结构，但总的来说传统6管单元在SRAM中占主导。
[0005]结合图1，在由6管基本单元组成的SRAM阵列中，功耗的最主要来源是位线的充放电。由于SRAM的容量很大，阵列的面积相应就很大，一根位线连接一整列的6管基本单元。每个基本单元都有一个NM0S晶体管的源极连接到位线上，由于一列中的单元数量众多，所以位线的电容非常大；位线自身的长度很大，寄生电容电阻也相应很大。同理，SRAM阵列中字线的电容电阻也很大，也是功耗的主要消耗者，但是一次写操作，只有1根字线发生翻转，而一个32bit的SRAM，一次写操作，将有32根位线发生翻转。而就位线本身来说，其单次写操作的功耗大于读操作的功耗。因为写操作时预充电为高的位线，将做1到0的全摆幅翻转；而读操作时，由于灵敏放大器的存在，位线不需要全摆幅翻转。所以减少SRAM写操作时位线的充放电，将是减少SRAM整体功耗的有效途径。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为了降低SRAM写操作时位线的功耗。
[0007]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:提供一种低功耗SRAM芯片位线的设计方法，所述设计方法基于电荷泵技术，包括:
[0008]1) SRAM单元位线连接电荷泵电路；
[0009]2)在写操作时，先将所述SRAM单元位线上需要泄放电荷收集到所述电荷泵电路中；
[0010]3)写操作完成后，利用电荷泵电路获得高电压，将所述电荷泵电路收集到的泄放电荷重新转移到所述SRAM单元位线上。
[0011]进一步的，所述SRAM单元为采用2根位线写入。
[0012]可选的，所述电荷泵电路所述的电荷泵电路包括若干电容和若干开关，其中
[0013]在写操作时，若干电容与一根位线并联，一根位线对电容进行充电；数据写入后，若干电容串联后与一根位线相连，对一根位线完成充电；充电后完成写操作。
[0014]较佳的，所述的电荷泵电路包括:第一电容、第二电容、第三电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关以及第六开关；其中，所述第一电容的两端与第一节点和第四节点相连，所述第一节点同时接入所述SRAM的位线；所述第二电容的两端与第二节点和第五节点相连；所述第三电容的两端与第三节点和地线相连；所述第一开关的两端与第一节点和第二节点相连；所述第二开关的两端与第二节点和第三节点相连；所述第三开关的两端与第二节点和第四节点相连；所述第四开关的两端与第三节点和第五节点相连；所述第五开关的两端与第四节点和地线相连；所述第六开关的两端与第五节点和地线相连。
[0015]可选的，所述SRAM单元为6管基本单元。
[0016]本发明还提供一种低功耗SRAM芯片位线的电路结构，所述电路结构基于电荷泵技术，包括SRAM单元和与SRAM单元位线连接的电荷泵电路,其中所述的电荷泵电路包括:
[0017]第一电容、第二电容、第三电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关以及第六开关；其中，所述第一电容的两端与第一节点和第四节点相连，所述第一节点同时接入所述SRAM的位线；所述第二电容的两端与第二节点和第五节点相连；所述第三电容的两端与第三节点和地线相连；所述第一开关的两端与第一节点和第二节点相连；所述第二开关的两端与第二节点和第三节点相连；所述第三开关的两端与第二节点和第四节点相连；所述第四开关的两端与第三节点和第五节点相连；所述第五开关的两端与第四节点和地线相连；所述第六开关的两端与第五节点和地线相连。
[0018]进一步的，所述SRAM单元为采用2根位线写入。
[0019]可选的，在写操作时，第一电容、第二电容和第三电容与一根位线并联，一根位线对电容进行充电；数据写入后，第一电容、第二电容和第三电容串联后与一根位线相连，对一根位线完成充电；充电后完成写操作。
[0020]可选的，所述SRAM单元在写操作时，先将所述SRAM单元位线上需要泄放电荷收集到所述电荷泵电路中；写操作完成后，利用电荷泵电路获得高电压，将所述电荷泵电路收集到的泄放电荷重新转移到所述SRAM单元位线上。
[0021]可选的，所述SRAM单元为6管基本单元。
[0022]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0023]1)重复利用了 SRAM写操作时位线上的电荷,将传统SRAM写操作时将要泄放掉的电荷通过电荷泵收集起来，再次转移回位线。
[0024]2)降低了 SRAM写操作时位线的功耗，写操作时位线的功耗是SRAM功耗的最大组成部分，因此降低了 SRAM的整体功耗。
【附图说明】
[0025]图1为现有技术中6管基本单元组成的SRAM电路示意图；
[0026]图2为本发明一实施例中电荷泵电路示意图；
[0027]图3为本发明一实施例中低功耗SRAM芯片在写操作时信号时序图；
[0028]图4为本发明一实施例中电荷泵电路收集电荷状态电路示意图；
[0029]图5为本发明一实施例中电荷泵电路对位线充电状态电路示意图。
【具体实施方式】
[0030]以下结合附图和具体实施例对本发明提出的SRAM芯片的位线上应用电荷泵技术的设计方法和电路结构作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0031]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0032]本发明针对写操作时SRAM的位线，提出了应用电荷泵原理将位线电荷收集起来再产生高电压将电荷转移回位线的方法。
[0033]本发明提供一种低功耗SRAM芯片位线的设计方法，所述设计方法基于电荷泵技术，包括:
[0034]1) SRAM单元位线连接电荷泵电路；
[0035]2)在写操作时，先将所述SRAM单元位线上需要泄放电荷收集到所述电荷泵电路中；
[0036]3)写操作完成后，利用电荷泵电路获得高电压，将所述电荷泵电路收集到的泄放电荷重新转移到所述SRAM单元位线上。
[0037]进一步的，所述SRAM单元为采用2根位线写入。在可选的实施例中，所述电荷泵电路所述的电荷泵电路包括若干电容和若干开关，其中在写操作时，若干电容与一根位线并联，一根位线对电容进行充电；数据写入后，若干电容串联后与一根位线相连，对一根位线完成充电；充电后完成写操作。
[0038]图2为本发明一实施例中电荷泵电路示意图，结合图2，在较佳的实施例中，所述的电荷泵电路包括:第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第一开关S3、第二开关S4、第三开关S5、第四开关S6、第五开关S7和第六开关S8 ;其中，所述第一电容C1的两端与第一节点Node 1和第四节点Node 4相连,所述第一节点Node 1同时接入所述SRAM的位线；所述第二电容C