SRAM存储器调研报告

一、基本概念和工作原理1、基本概念RAM(RandomAccessMemory随机存贮器)是指通过指令可以随机地、个别地对每个存储单元进行访问、访问所需时间基本固定、且与存储单元地址无关的可以读写的存储器。SRAM是英文StaticRAM的缩写，即静态随机存取存储器。它由晶体管组成，是一种具有静止存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。但停机或断电时，它们会丢掉信息[1]。2、工作原理SRAM一般由五大部分组成，即存储单元阵列、地址译码器(包括行译码器和列译码器)、灵敏放火器、控制电路和缓冲/驱动电路。存储阵列中的每个存储单元都与其它单元在行和列上共享电学连接，其中水平方向的连线称为“字线”，而垂直方向的数据流入和流出存储单元的连线称为“位线”。通过输入的地址可选择特定的字线和位线，字线和位线的交叉处就是被选中的存储单元，每一个存储单元都是按这种方法被唯一选中，然后再对其进行读写操作[2]。（1）读操作：假设准备往右图的6T存储单元写入“1”，先将某一组地址值输入到行、列译码器中，选中特定的单元，然后使写使能信号WE有效，将要写入的数据“1”通过写入电路变成“1”和“0”后分别加到选中单元的两条位线BL,BLB上，此时选中单元的WL=1，晶体管N0,N5打开，把BL,BLB上的信号分别送到Q,QB点，从而使Q=1，QB=0，这样数据“1”就被锁存在晶体管P2,P3,N3,N4构成的锁存器中。写入数据“0”的过程类似。（2）写操作：SRAM的读过程以读“1”为例，通过译码器选中某列位线对BL,BLB进行预充电到电源电压VDD，预充电结束后，再通过行译码器选中某行，则某一存储单元被选中，由于其中存放的是“1”，则WL＝1、Q=1、QB=0。晶体管N4、N5导通，有电流经N4、N5到地，从而使BLB电位下降，BL、BLB间电位产生电压差，当电压差达到一定值后打开灵敏度放大器，对电压进行放大，再送到输出电路，读出数据[3]。二、主要应用和发展历史1、主要应用（1）SRAM的速度快但昂贵，一般用小容量的SRAM作为更高速CPU和较低速DRAM之间的缓存（cache）。它有两种规格：一种是固定在主板上的高速缓存（CacheMemory）；另一种是插在卡槽上的COAST（CacheOnAStick）扩充用的高速缓存[4]。（2）在CMOS芯片1468l8的电路里，它的内部也有较小容量的128字节SRAM，存储我们所设置的配置数据。（3）为了加速CPU内部数据的传送，自80486CPU起，在CPU的内部也设计有高速缓存。2、发展历史1976年，4kbSRAM问世。20世纪80年代末起,随着GaAs和BICMOS工艺技术的快速发展，世界各大半导体公司都在开发利用CaAs和BICMOS工艺技术，将其应用于存储器制造中，以此来提高SRAM的速度。1992年64M位随机存储器问世。英特尔开始采用8英寸晶圆。2001年，韩国三星电子公司开发出一种用电量很低的4Mb快速SRAM内存。该芯片的电路宽度为0.18微米，速度提高了30%，同当时市场上的芯片相比耗电量减少了一半。2002年，Intel英特尔公司的研究人员宣布制造出当时全球最小的SRAM存储芯片单元，尺寸仅为1平方微米。这些单元是存储芯片的基本模块，它们是使用英特尔下一代0.09微米(90纳米)工艺制造的全功能SRAM设备的一部分。2008年，美国IBM公司、AMD以及纽约州立大学Albany分校的纳米科学与工程学院（CNSE）等机构共同宣布，世界上首个22纳米节点有效静态随机存储器（SRAM）研制成功。2011年台积电宣布28nm制程工艺正式迈入量产阶段，成为芯片代工行业首个量产28nm产品的厂商。2014年底，三星宣布了世界首个14nmFinFET3D晶体管进入量产，标志着半导体晶体管进入3D时代。2015年台积电宣布已经正式开始量产16nmFinFET工艺产品。三、优势和局限DRAM隔一段时间需要刷新电路，以防内部存储的数据即会消失，而SRAM不需要每隔一段时间刷新电路，因此其性能更好，效率更高。除此之外，SRAM速度较快，能耗较低。但是SRAM的集成度于DRAM低，相同存储容量的情况下，DRAM体积更小，而SRAM体积较大，而且SRAM的价格较高。综上所述，与DRAM相比，（1）SRAM的优点：不需要刷新电路、效率较高、速度较快、能耗较低。（2）缺点：集成度较低、价格较高。四、当前行业发展和主要厂商1、当前行业发展静态随机存取存储器(SRAM)多年来被广泛应用于各种场合。凡是需要快速存取数据的应用，特别是在要求初始存取等待时间很短的情况下，都会考虑使用SRAM。历史上SRAM存储器市场曾经几度起伏，大多数时候，整个市场需求量会因为一个新的SRAM应用而暴涨。例如，1995年PC快速增长的时候，SRAM作为CPU的缓存，因而其需求量大幅增长。1999年网络市场，以及2003年手机市场的暴发，也使SRAM存储器市场出现了同样的情况。然而，在过去的几年中，SRAM存储器市场由于种种原因急剧萎缩。市场调查数据显示，SRAM主要被赛普拉斯、瑞萨、来扬等企业垄断，并且整个市场近十年都是一个下降的趋势。SRAM存储器市场容量逐年下降。未来2-3年，SRAM市场将降至市场最低点，之后一些比较特殊的SRAM产品市场将维持在一个相对稳定的市场规模[5]。2、主要厂商生产SRAM的主要厂商包括：赛普拉斯半导体公司、英特尔公司、三星集团、安森美半导体公司、台湾联笙电子股份有限公司、瑞萨电子株式会社、美国芯成半导体有限公司、来扬科技股份有限公司[6]。五、未来发展趋势预测集成电路技术在过去的几十年里得到了突飞猛进的发展，信息产业也得以快速增长，而DRAM、SRAM和Flash存储器是信息产业的核心产品。但是DRAM、SRAM和Flash存储器都有其各自难以改变的缺点，目前世界各大半导体厂商，一方面在致力于成熟存储器的大容量化、高速化、低电压低功耗化，另一方面根据需要在原来成熟存储器的基础上开发各种特殊存储器[7]。1、存储器集成度不断提高由于新一代操作系统以及很多与图形图像有关的软件包都对内存容量提出了更大的要求，促使各大半导体厂商不断投入数以亿计的巨资发展亚微米集成电路技术，提高存储器的集成度，不断推出大容量化存储器芯片。2、高速存储器的发展随着微处理器速度的飞速发展，存储器的发展远不能跟上微处理器速度的提高。为了适应高速CPU构成高性能系统的需要,高速DRAM技术在不断发展[8]。发展高速DRAM的途径目前一般是把注意力集中在存储器芯片的片外附加逻辑电路上，试图在片外组织连续数据流来提高单付时间内数据流量即增加存储器的带宽。3.存储器的低工作电压低功耗化采用低电压集成电路技术后,芯片的功耗大幅度降低[9]，而且其工作速度并没有明显下降,这时电池的重量可以减轻40%,同时电池的寿命得以延长，系统发热量降低，整个系统的体积也不断减小。4、新型动态存储器根据某些特定的需要,有些公司已开发出一些新型的动态存储器:例如，为了提高扫描显示和通信速度用于多处理机系统的双端口SRAM，为了解决图形显示的带宽瓶颈而设计的用于图形卡的视频读写存储器VRAM,为了改善Windows图形用户接口中图形性能WRAM,可用于多处理器系统高速通信的FIFO存储器等[10]。六、参考文献[1]洪永强.微机原理与接口技术[M].第3版.北京：科学出版社，2017:52-53.[2]耿茜，沈国荣，李秀霞.微机原理与接口技术[M].北京：国防工业出版社，2016:49-50.[3]王克义.微机原理：结构、编程与接口[M].第2版.北京：清华大学出版社，2016:60-61.[4]王晓静，叶磊.微机原理与接口技术[M].第2版.北京：北京邮电大学出版社，2017:45-46.[5]赛普拉斯推出全球首款32-Mbit和64-Mbit快速异步SRAM[J].电子与电脑,2010(07):77.[6]BETSYVANHEES.手机用PSRAM获得发展动力——日本供应商共同支持新型存储器技术,异步SRAM是否会过时?[J].中国集成电路,2003(05):19-20.[7]于纪波.半导体存储器及发展趋势[J].山西经济管理干部学院学报,2002(02):48-49.[8]姚志文.一种高速ZBTSRAM控制器设计[J].计算机技术与发展,2012,22(10):202-204.[9]冯李,张立军,郑坚斌,王林,李有忠,张振鹏.基于字线负偏压技术的低功耗SRAM设计[J].电子设计工程,2017,25(08):115-118.[10]杨奇,杨莹.基于SRAM和DRAM结构的大容量FIFO的设计与实现[J].国外电子元器件,2006(10):63-66.