БЛОК ПАМЯТИ КОМПЛЕМЕНТАРНОЙ МЕТАЛЛ-ОКСИД-ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СТРУКТУРЫ ОЗУ

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано в статических ОЗУ с повышенной надежностью. Воздействие одиночной ядерной частицы на ячейку памяти комплементарной металл-оксид-полупроводниковой структуры (далее КМОП) приводит к ее переходу в неравновесное (нестационарное) состояние, а при воздействии, превышающем порог переключения, к сбою исходного ее состояния и потере хранимых данных.

Известны наиболее распространенные варианты статической оперативной КМОП памяти, ими являются блоки памяти на основе 6-транзисторных ячеек памяти и считывающих усилителей (Патент US №8 773 924 В2, кл. G11C 7/12, опублик. Jul. 8. 2014; Патент US №8 559 249 В1, кл. G11C 7/00, опублик. Oct. 15. 2013) и блоки памяти с повышенной надежностью хранения данных на основе ячеек памяти DICE (DuallnterlockedStorageCell) с дублированием хранения логического состояния и считывающих усилителей (Патент US №2010/0 264 953 А1, кл. G06F 17/50, опублик. Oct. 21. 2010; Статья: Single-Event Performance and Layout Optimization of Flip-Flops in 28-nm Bulk Technology // IEEE Transactions on Nuclear Science, 2013, Vol. 60, №4, p.p. 2782-2788).

Недостатком описанных выше технических решений является недостаточная надежность хранения данных при воздействии одиночных ядерных частиц. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является блок памяти комплементарной металл-оксид-полупроводниковой структуры ОЗУ, состоящий из ячеек памяти из двух групп транзисторов каждая, соединенных через проходные ключи с четырьмя битовыми линиями данных, и двух считывающих усилителей, первый и второй входы первого считывающего усилителя соединены с первой и второй битовыми линиями данных, первый и второй входы второго считывающего усилителя соединены с третьей и четвертой битовыми линиями данных (Патент US №8 605 516 В2, кл. G11C 11/34, опублик. Dec. 10. 2013). Недостатком описанного блока памяти является невозможность надежного чтения данных из ячейки памяти в режиме неравновесного (нестационарного) состояния ячейки, вызванного воздействием одиночной ядерной частицы. Задачей настоящего изобретения является обеспечение надежного чтения данных в блоке памяти на основе ячеек памяти с повышенной надежностью хранения данных.

Техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является повышение надежности чтения данных из ячейки в режиме, когда ячейка памяти на основе двух групп транзисторов временно находится в неравновесном (нестационарном) состоянии, вызванном воздействием одиночной ядерной частицы.

Указанный технический результат достигается тем, что блок памяти комплементарной металл-оксид-полупроводниковой структуры ОЗУ, включающий выходную шину блока памяти, ячейки памяти, состоящие из двух групп транзисторов каждая, соединенных через проходные ключи с четырьмя битовыми линиями данных, и двух считывающих усилителей, первый и второй входы первого считывающего усилителя соединены с первой и второй битовыми линиями данных, первый и второй входы второго считывающего усилителя соединены с третьей и четвертой битовыми линиями данных, согласно изобретению блок памяти снабжен первым и вторым дополнительными транзисторами и логическим элементом ИЛИ-НЕ и имеет линию смещения с напряжением на ней больше порогового значения, при этом считывающие усилители имеют отражатели тока на парах транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник и каналом дырочной проводимости, причем входы логического элемента ИЛИ-НЕ соединены с выходами первого и второго считывающих усилителей, с которыми соединены, соответственно, стоки первого и второго дополнительных транзисторов, затворы которых соединены с линией смещения с напряжением на ней больше порогового значения, а выход элемента ИЛИ-НЕ соединен с выходной шиной блока памяти. Указанная совокупность признаков позволяет повысить надежность чтения данных из ячейки при воздействии одиночной ядерной частицы в режиме, когда ячейки памяти на основе двух групп транзисторов находятся в неравновесном (нестационарном состоянии).

Изобретение поясняется чертежом: на фиг. 1 изображена электрическая принципиальная схема блока памяти, содержащего две ячейки памяти, каждая из которых состоит из двух групп транзисторов.

Блок памяти содержит две ячейки памяти, первая ячейка памяти из двух групп 1 и 2 транзисторов с четырьмя выводами 3, 4, 5, 6, вторая ячейка из двух групп 7 и 8 транзисторов с четырьмя выводами 9, 10, 11, 12. Блок памяти содержит два считывающих усилителя 13, 14 с отражателями тока на парах РМОП транзисторов (транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник и каналом дырочной проводимости, то есть Р-типа), два дополнительных транзистора 15, 16 и логический элемент ИЛИ-НЕ 17, первый считывающий усилитель 13 имеет первый и второй входы 18, 19, выход 20 и вывод 21 объединенных истоков NМОП транзисторов (транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник и каналом электронной проводимости, то есть TV-типа), второй считывающий усилитель 14 имеет первый и второй входы 22, 23, выход 24 и вывод 25 объединенных истоков двух NМОП транзисторов, первый дополнительный транзистор 15 имеет выводы стока 26, истока 27 и затвора 28, второй дополнительный транзистор 16 имеет выводы стока 29, истока 30 и затвора 31, логический элемент 17 ИЛИ-НЕ имеет два входа 32, 33 и выход 34. Кроме того, блок памяти содержит четыре проходных ключа 35, 36, 37, 38 групп 1 и 2 транзисторов первой ячейки памяти и четыре проходных ключа 39, 40, 41, 42 групп 3 и 4 транзисторов второй ячейки памяти, затворы проходных ключей 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42 соединены с соответствующими линиями 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50 выборки. Один из выводов проходных ключей 35, 36, 37, 38 соединен, соответственно, с выводом 3, 4, 5,6 двух групп 1 и 2 транзисторов; другой вывод проходных ключей 35, 36, 37, 38 соединен с одной из четырех битовых линий 51, 52, 53, 54 данных блока памяти таким образом, что вывод ключа 35 соединен с первой битовой линией 51 данных, вывод ключа 36 - с второй битовой линией 52 данных, вывод ключа 37 - с третьей битовой линией 53 данных, вывод ключа 38 - с четвертой битовой линией 54 данных. Кроме того, первый и второй входы 18, 19 первого считывающего усилителя 13 соединены с первой и второй (битовыми) линиями 51, 52 данных, первый и второй входы 22, 23 второго считывающего усилителя 14 соединены с третьей и четвертой битовыми линиями 53, 54 данных, выводы 26, 27 стока и истока первого дополнительного транзистора 15 соединены, соответственно, с выходом 20 первого считывающего усилителя 13 и с выводом 2 объединенных истоков NМОП транзисторов первого усилителя 13, выводы 29, 30 стока и истока второго дополнительного транзистора 16 соединены, соответственно, с выходом 24 второго считывающего усилителя 14 и с выводом 25 объединенных истоков NМОП транзисторов второго усилителя, выводы 28, 31 затворов первого и второго дополнительных транзисторов 15, 16 соединены с линией 55 смещения с напряжением на ней больше порогового значения, выходы 20, 24 первого и второго считывающих усилителей 13, 14 соединены с первым и вторым входами 32, 33 логического элемента 17 ИЛИ-НЕ, выход 34 которого является выходной шиной блока памяти. Кроме того, блок памяти содержит два ключа 56, 57 выборки чтения, входы 58, 59 управления которых соединены с линией 60 управления чтением, а выходы соединены с выводами 21 и 25 объединенных истоков NМОП транзисторов, соответственно, считывающих усилителей 13 и 14, и два ключа 61, 62 предустановки состояния, входы 63, 64 управления которых соединены с линией 60 управления чтением. Описанное устройство работает следующим образом.

Блок памяти может работать в одном из трех режимов: запись данных в ячейки памяти, хранение и чтение данных из ячеек памяти.

Запись данных в каждую ячейку памяти блока памяти осуществляется через ее выводы, соединенные проходными ключами с битовыми линиями 51, 52, 53, 54 данных блока памяти. Далее работа устройства рассматривается на примере записи, хранения и чтения данных ячейки памяти из двух групп 1 и 2 транзисторов. Запись и считывание производится через выводы 3, 4, 5, 6 двух групп 1 и 2 транзисторов ячейки через проходные ключи 35, 36, 37, 38 этой ячейки памяти.

При записи данных в ячейку памяти на битовые линии 51, 52, 53, 54 данных подают записываемые данные в дифференциальной форме, а именно на первую и третью линии 51, 53 в нормальном виде, а на вторую и четвертую линии 52, 54 - в инверсном. Установкой активного уровня на линиях 43, 44, 45, 46 выборки открывают проходные ключи 35, 36, 37, 38 ячейки памяти, пропуская записываемые данные (сигналы) на выводы 3, 4, 5, 6 ячейки памяти. В режиме записи на линию 60 управления чтением может быть установлен как неактивный уровень или активный уровень, во втором случае можно одновременно осуществить чтение записываемых данных.

В режиме хранения на линиях 43, 44, 45, 46 выборки устанавливают неактивный уровень, что поддерживает проходные ключи 35, 36, 37, 38 в закрытом состоянии. На выводах 3, 4, 5, 6 ячейки памяти хранятся уровни сигналов, соответствующих записанным данным. На линию 60 управления чтением устанавливают уровень, переводящий ключи 56, 57 выборки чтения в закрытое состояние, а ключи 61, 64 предустановки состояния в открытое состояние. Это переводит считывающие усилители 13, 14 в неактивное состояние и устанавливает смещение на выходы 20, 24 считывающих усилителей 13, 14 и входы 32, 33 элемента 17 ИЛИ-НЕ, равное напряжению питания, что обеспечивает неизменное состояние на выходе 34 элемента 17 ИЛИ-НЕ в режиме хранения, компенсируя изменение выходных токов считывающих усилителей в неактивном состоянии.

При чтении данных из ячейки памяти на линиях 43, 44, 45, 46 выборки устанавливают активный уровень. Проходные ключи 35, 36, 37, 38 открываются, позволяя считывать хранимые данные с выводов 3, 4, 5, 6 ячейки памяти на битовые линии 51, 52, 53, 54 данных. На линию 60 управления чтением устанавливают уровень, переводящий ключи 61, 62 предустановки состояния в закрытое состояние, а ключи 56, 57 в активное состояние, что переводит считывающие усилители 13, 14 в активное состояние для чтения с битовых линий 51, 52, 53, 54 данных.

При воздействии на ячейку памяти одиночной ядерной частицы образованные вдоль трека неравновесные носители заряда диффундируют к транзисторам ячейки и выводятся в виде импульсов тока на выводы, перезаряжая емкости этих узлов. Этот процесс сопровождается образованием импульсов напряжений помехи на выводах, которые переводят триггер ячейки памяти из двух групп 1 и 2 транзисторов в неустойчивое (нестационарное) состояние, которое может завершиться возвращением в исходное стационарное состояние ячейки с сохранением данных или завершиться сбоем состояния ячейки памяти в случае превышении порога переключения.

Для ячеек памяти при проектно-технологических нормах 65 нм и менее с разделенными на две группы транзисторами (которые разнесены на кристалле ОЗУ на расстояние, снижающее вероятность сбоя триггера ячейки памяти при воздействии одиночных ядерных частиц) длительность неравновесного (нестационарного)состояния может достигать 1 нс. В этом состоянии можно осуществлять надежное чтение данных, определяя два (из четырех) вывода триггера ячейки, которые сохраняют свои исходные состояния до воздействия. Варианты сочетания логических уровней Х₃Х₄Х₅Х₆ (и напряжений, пропорциональных логическим уровням и значению напряжения питания U_И.П) на выводах 3, 4, 5, 6 двух групп 1 и 2 транзисторов ячейки в нестационарных состояниях приведены в таблице 1.

Жирным шрифтом в таблице 1 отмечены уровни на выводах 3, 4, 5, 6, сохраняющих значения, соответствующие исходным уровням в стационарном состоянии ячеек при хранении "0" (0101) и "1" (1010). На одном из выводов 3, 4, 5, 6 ячейки памяти, который в неравновесном (нестационарном) состоянии оказывается с двумя открытыми транзисторами, устанавливается напряжение U_И.П×b, и его нормированный уровень будет иметь некое промежуточное значение b. Значение b зависит от соотношения крутизны характеристик РМОП и NМОП транзисторов и ограничено значениями 0,2<b<0,4.

Для вариантов неравновесных (нестационарных) состояний, приведенных в таблице 1, использованы следующие обозначения: нс1а и нc1б, где цифра соответствует номеру варианта состояния, а буквы "а" и "б" соответствуют двум подвариантам состояний с общим цифровым номером.

Каждый из двух считывающих усилителей 13, 14 с дополнительными транзисторами 15, 16, соединенными с их выходами 20, 24, описывается логическими функциями преобразования, связывающими уровни сигналов на их двух входах с их выходным сигналом, которые приведены в таблице 2.

Передаточные функции, приведенные в таблице 2 в качестве примера для считывающего усилителя 13 с дополнительным транзистором 15, реализуются как считывающим усилителем 13, так и усилителем 14 с дополнительными транзисторами 15, 16 при напряжении на линии 55 смещения и на выводах 28, 31 затворов дополнительных транзисторов 15, 16 напряжения смещения больше порогового значения U_СМ=U₅₅=U₂₈=U₃₁>U_СМ.ПОР, где U_СМ.ПОР≥U_{ПОР.NМОП} или U_СМ.ПОР≥b×U_И.П, если b×U_И.П>U_{ПОР.NМОП}, где U_{ПОР.NМОП} - пороговое напряжение вольтамперной характеристики NMOH транзисторов.

Характеристики преобразования входных уровней по вариантам 1 и 2 в таблице 2 обеспечиваются дополнительным транзистором 15 (и 16), присоединенным к считывающему усилителю 13 (и 14), и заданием напряжения смещения на их выводы 28, 31 затворов больше порогового напряжения U₅₅=U₂₈=U₃₁=U_СМ>U_СМ.ПОР, что задает малое значение сопротивления канала дополнительного транзистора по сравнению с сопротивлениями каналов МОП транзисторов считывающих усилителей в запертом состоянии и, соответственно, обеспечивает в этом режиме уровень логического нуля "0" на выходе 20 считывающего усилителя 13U_ВЫХ20=U⁰ на выходе 24U_ВЫХ24=U⁰ усилителя 14.

В результате включения дополнительного транзистора передаточные характеристики считывающего усилителя с отражателем тока на паре РМОП транзисторов перестают зависеть от напряжения на втором входе 19 считывающего усилителя 13 (аналогично на втором входе 23 усилителя 14) в диапазоне 0≤U_ВХ19≤0,35 В и 0≤U_ВХ23≤0,35 В при U₅₅=U₂₈=U₃₁=U_СМ>U_СМ.ПОР, что обеспечивает возможность реализовать варианты 1, 2 логических передаточных функций, приведенных в таблице 2.

В этом случае считывающие усилители 13, 14 с дополнительными транзисторами 15, 16 реагируют на сигналы на их входах с уровнем напряжения U_{ВХ.УСИЛИТЕЛЯ}=b×U_И.П как на логический "0" и все строки в таблице 2 соответствуют логической функции преобразования входных сигналов в сигналы на выходах 20, 24 считывающих усилителей следующего вида: Y₂₀=Х₃·nХ₄ и Y₂₄=Х₅·nХ₆, где Х₃, Х₄, Х₅, Х₆ - логические уровни сигналов, поступающих на битовые линии 51, 52, 53, 54 данных с выводов 3, 4, 5, 6 ячейки памяти; n - обозначает инверсию логического уровня сигнала.

В предложенном блоке памяти чтение данных из ячеек памяти как в нестационарных, так и стационарных их состояниях производится двумя считывающими усилителями 13,14 с дополнительными транзисторами 15, 16 и логическим элементом 17 ИЛИ-НЕ, при этом логическая функция чтения состояний ячеек памяти по уровням сигналов на их выводах 3, 4, 5, 6 имеет следующий вид: nY₃₄=X₃·nX₄+X₅·nX₆.

Пример реализации изобретения

Устройство по изобретению реализовано в виде проекта блока памяти КМОП ОЗУ по проектной норме 28 нм в составе КМОП СБИС микропроцессорной системы. Накопитель содержит 32×64 ячеек памяти. Результаты моделирования результатов чтения данных из блока памяти по проектно-технологической норме объемный КМОП TSMC 28 нм приведены в таблицах 3 и 4.

В таблицах 3 и 4 приведены значения уровней напряжения на выходе 34 блока памяти на КМОП транзисторах с проектной нормой 28 нм в неравновесных (нестационарных) и стационарных состояниях в зависимости от напряжения смещения дополнительных транзисторов 15, 16 на линии 55 смещения при чтении логического "0" и логической "1" при напряжении питания блока U_И.П=0.9 В.

Чтение логического "0" во всех неравновесных (нестационарных) состояниях дает истинные значения (в инверсном их определении при использовании логического элемента ИЛИ-НЕ) при напряжениях смещения U_СМ≥0.3 В (см. таблицу 3), а чтение логической "1" - при напряжениях смещения U_СМ≥0.2 В (см. таблицу 4). Эти данные определены при разбросе уровней напряжений на выводах 3, 4, 5, 6 групп 1 и 2 транзисторов ячейки памяти, соответствующих логическим "0" и "1" в диапазонах U⁰=0-0.3 В и U¹=0.6-0.9 В.

Блок памяти на основе считывающих усилителей с отражателем тока на паре РМОП транзисторов без использования дополнительных транзисторов 15, 16 не обеспечивает правильное чтение логического "0" из ячейки памяти, когда напряжения на выводах 3, 4, 5, 6 двух групп 1 и 2 транзисторов имеют уровни: U₃=0, U₆=0.9 В при напряжениях на других двух входах в пределах U₄=(0-0.16) В и U₅=(0-0.9) В. Это соответствует ложному чтению "0" в состояниях 00b1, 0011, b100 и 1100.

Динамические свойства блока памяти в режиме чтения характеризуют времена задержки распространения сигнала t_ЗД.Р, значения которых при чтении данных в разных состояниях ячеек приведены в таблице 5 для смещения на шине 55 и затворах 28, 31 дополнительных транзисторов 15, 16, равного U_СМ55=0.5 В. В таблице 5 приведены данные для случаев, когда отсутствуют ключи 61, 62 предустановки состояния и когда эти ключи 61, 62 имеются. Использование ключей 61, 62 предустановки состояния снижает время задержки при чтении данных из ячеек памяти.