【摘 要】
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存算一体（Compute In-Memory,CIM）是解决传统冯诺依曼计算机架构性能与功耗瓶颈的一种有效方法,然而,存算一体在降低传统冯诺依曼架构数据传输造成的延时和功耗的同时对静态随机存取存储器（Static Random Access Memory,SRAM）等存储器的功耗的要求越来越高。降低SRAM功耗最为直接的方式是降低SRAM的电源电压。电源电压的降低虽然可以让SRAM的功耗呈平方倍数
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存算一体（Compute In-Memory,CIM）是解决传统冯诺依曼计算机架构性能与功耗瓶颈的一种有效方法,然而,存算一体在降低传统冯诺依曼架构数据传输造成的延时和功耗的同时对静态随机存取存储器（Static Random Access Memory,SRAM）等存储器的功耗的要求越来越高。降低SRAM功耗最为直接的方式是降低SRAM的电源电压。电源电压的降低虽然可以让SRAM的功耗呈平方倍数降低,但是也会使SRAM的读写性能产生一定的损失。在外围电路中增加辅助电路结构是有效提高SRAM的读写性能的方法。然而,传统的辅助电路技术在提高读或写单一性能的同时会损失另一种性能,因此,结合多种辅助电路技术,并实现低功耗SRAM设计显得尤为重要。本文对低功耗SRAM设计进行以下两个方面研究。一方面,本文结合并优化了地线电压抬升和位线电压降低及位线电荷回收技术,并基于这两种技术重新设计SRAM的存储单元和读写分离结构的列选择器。该方法在SRAM写数据时将半选单元的位线泄露电荷回收用于驱动全选单元的地线电压抬升,提高全选单元写阈值;同时泄露电荷使半选单元的位线电压降低,提高半选单元的读静态噪声容限;另一方面,本文结合字线电压抬升和字线电压降低技术,提出新型两步控制字线电压辅助电路技术。该技术在SRAM读数据时将字线电压降低至欠驱电压,提高全选单元和半选单元的读静态噪声容限;而在SRAM写数据时将字线电压先升高至过驱电压后降低至欠驱电压,提高全选的写阈值并减少半选单元在字线电压抬升时造成的读静态噪声容限的损失。对本文设计的低功耗SRAM存储单元进行1000次蒙特卡洛仿真实验,实验结果表明,与传统结构相比,本设计的写阈值提升近33%,读静态噪声容限提升近6%,SRAM的最小工作电压从0.65V降低至0.5V。对本文的低功耗SRAM进行版图设计并进行后仿真验证,实验结果表明,相比于传统结构,在0.65V下,本设计的写时间降低10%,而在0.5V下,本设计的静态功耗和动态功耗相比于工作在0.65V时分别降低超过40%和30%。
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