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半导体开放世界

SRAM 噪声裕量表征

SRAM Noise-Margin Characterization

从曲线坐标、规定偏置和节点轨迹区分静态裕量与有限时间的访问失败。

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速览

约 1 分钟

SRAM总览已说明双稳态与读扰动；本页补齐如何从蝴蝶图和N曲线取数，以及为何静态值不能代替脉冲条件下的验证。

系统理解

约 2 分钟

表征结果先由测试边界决定：曲线坐标和噪声注入位置不同，指标就不能混用。不对称蝴蝶曲线取较弱存储方向，N曲线同时保留电压距离和注入电流峰。真实读写与扰动持续时间有限，还必须追踪节点是否跨过状态边界，并在声明的供电、频率和访问序列下判断成功或失败。

从既有SRAM的噪声概述进入可复现提取与动态边界，再连接读写辅助。

关键参数

关键参数
参数单位含义
静态模式偏置V供电、字线与位线钳位定义测量边界
SNM与SVNMV不同测试定义的电压裕量
SINMA按规定方向向节点注入的静态峰电流
脉冲持续时间s动态恢复与跨界所需的时间条件

常见误区

  • 较大的一个叶瓣即可代表整个单元。
  • SVNM与蝴蝶SNM只是同一个数的不同名称。
  • 静态曲线通过就代表任意短脉冲都能成功读写。

工程深入

12 条结论 · 1 道例题

蝴蝶曲线的提取

机制

两条传输曲线必须先放到同一节点坐标系

绘制交叉耦合反相器的蝴蝶曲线时，一条曲线把节点一当输入、节点二当输出，另一条必须交换这两个坐标角色。不能把两条普通输入到输出曲线直接叠放，再从错误的坐标图中读取稳定性。12

成立条件 针对两个存储节点的直流传输特性。；坐标交换不是假定两只反相器完全匹配。

公式

不对称单元取两个存储方向中较小的方形边长

蝴蝶曲线的两个叶瓣分别对应两个数据方向的耐受能力。左右器件不匹配时，应各自寻找可嵌入的最大正方形，再取较小边长作为该偏置下的单元SNM；不能只报告外形更宽的那一瓣。23

SNM=min⁡(a,b)\mathrm{SNM}=\min(a,b)
SNM = min(a, b)
SNM
该偏置下单元静态噪声裕量，单位 V
a
第一个叶瓣最大内接方形边长，单位 V
b
另一个叶瓣最大内接方形边长，单位 V

成立条件 a与b分别是两个叶瓣最大内接正方形的边长。；保持和读模式分别提取，不比较不同偏置下混合的两瓣。

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学假设：同一读偏置下，两个叶瓣的最大内接方形边长分别为180mV与140mV，单元的读SNM是多少？

已知

  1. a=180mV=0.180V；b=140mV=0.140V。
  2. 两者来自同一器件、同一偏置和同一坐标定义。

步骤

  1. a−b = 180−140 = 40 mV，确认第二个叶瓣更小。
  2. SNM = min(180,140) = 140 mV，取较弱的数据方向，不取平均。
  3. 140 mV = 0.140 V，统一单位。
结果 读SNM为140mV，即0.140V。

若只报告180mV，会掩盖另一存储方向的较小静态裕量。

不能外推到 曲线边长为教学假设，不是工艺实测值；该结果不构成动态失效率或软错误率。

边界

读取曲线须保留访问通路的规定偏置

提取读SNM时，应让字线处于规定有效电平，并按所采用的静态测试模型钳住两条位线，再求解包含访问管的传输曲线。先关掉访问管得到保持曲线，再把它标成读曲线，会漏掉读通路对低节点的抬升。12

成立条件 这里比较传统6T静态测试模型，位线钳位不等于真实位线永不放电。；报告必须注明供电、字线与位线条件。

边界

写裕量的方形定义不能照搬保持裕量算法

写入静态测试采用互补位线偏置，目标是原状态不再维持。教材中的写裕量由写曲线之间相应最小内接方形定义，而保持与读裕量寻找的是各叶瓣可承受的最大方形；复用提取程序时必须切换对应判据。12

成立条件 采用所引教材的写SNM定义，不宣称所有论文的写裕量命名一致。；写跳变位线电压、字线裕量和动态写时间是其他指标，不能直接当同一个数值。

N曲线与电流信息

机制

N曲线通过强制低节点电压测量外部源电流

读状态下把两条位线维持在规定高电平、开启字线，再以外部源扫描原低节点电压，记录流过该源的电流，得到N形电流电压轨迹。应同时记录另一节点的响应，才能确认状态改变的位置。13

成立条件 扫描是准静态读偏置测量，不是一次正常读访问波形。；正电流按外部源向节点注入定义，仿真器源电流方向可能需要取反。

定义

N曲线的三个零电流点对应不同平衡性质

在指定扫描支路上，外部注入电流为零的三个点对应两个稳定状态和中间的亚稳态。比较不同书中的点名时，应先按平衡性质配对：有的图标B、C、D，另一些标A、B、C，字母相同并不保证物理位置相同。13

成立条件 针对具有三个相应平衡点的双稳态读模型。；数值求解需检查收敛支路，不能只依点的字母或扫描序号分类。

公式

电压与电流裕量分别从同一稳定支路取出

将原低状态稳定零点记为v0、相邻亚稳零点记为vm，SVNM是两者电压差；在其间按向节点注入为正的约定，电流正峰给出SINM。二者单位和物理扰动口径不同，应成对报告而非把电流峰换一个名称当电压。13

SVNM=vm−v0,SINM=max⁡v0≤v≤vmI(v)\mathrm{SVNM}=v_m-v_0,\qquad \mathrm{SINM}=\max_{v_0\le v\le v_m} I(v)
SVNM = vm − v0；SINM = max I(v)，v0 ≤ v ≤ vm
SVNM
N曲线静态电压噪声裕量，单位 V
SINM
N曲线静态电流噪声裕量，单位 A
vm
相邻亚稳态零电流点电压，单位 V
v0
原低状态稳定零电流点电压，单位 V
v
扫描节点电压，单位 V
I(v)
外部源向节点注入的电流，单位 A

成立条件 vm>v0，I(v)是相同读偏置下外部源注入节点的准静态电流。；SINM用安培，SVNM用伏特；不由这两个静态数直接推出有限脉冲翻转时间。

边界

N曲线电压距离不等于蝴蝶曲线方形边长

蝴蝶SNM施加的是交叉耦合回路中的规定电压噪声，N曲线则用外部源强制单节点并测电流。虽然平衡点可以对应，SVNM与读SNM的数值定义仍不同，不能在规格表或横轴上直接互换。13

成立条件 比较同一器件和同一模式时仍须保留各自测试边界。；本条不把某示例中的大小比例推广为跨工艺常数。

动态扰动与操作窗口

机制

有限扰动必须追踪两节点的恢复轨迹

噪声脉冲结束后，节点可能沿反馈轨迹恢复，也可能已经进入另一状态的吸引域。相同静态电压裕量不能决定一个给定脉冲是否翻转，瞬态检查还需记录噪声幅度、持续时间和完整节点轨迹。14

成立条件 针对声明的初始状态、噪声波形与偏置。；不把静态失败自动等同于给定短脉冲下一定失败。

边界

分离边界随器件对称性与偏置改变

关闭访问管后的两节点状态平面，可用分离边界区分最终回到哪一个稳定状态。完全对称模型中的对角直线只是特例，器件失配后边界可以弯曲，因此不能把两节点电压相等当成所有单元统一的翻转判据。1

成立条件 采用书中关闭传输门后的状态边界概念。；访问阶段的轨迹与关闭后归宿需按同一器件模型连接分析。

边界

读写脉宽应分别对照各自的状态跨界时间

在书中状态轨迹模型内，读操作应在造成误翻转前结束，写操作则要留足到达目标状态的时间。两种跨界时间属于不同初态与偏置，不能拿一个共同数值同时给所有读写脉宽划线。14

成立条件 仅针对所引模型的扰动与目标状态；完整宏还需读出判决时间。；避免把读脉冲无限缩短，因为感放仍需积累足够差分。

关联

Shmoo通过实际访问成败限定工作区

供电与频率二维扫描的每个格点，需要运行所定义的读写序列并记录成功或失败。工作区既受状态稳定性限制，也受有限时间内能否完成写入及读出判决限制；它不是把一条静态SNM曲线重新着色。14

成立条件 访问序列、脉宽、温度、图案及失效定义必须随图报告。；单颗样品的成功边界不能直接代表阵列统计尾部良率。

出处

4 份资料 · 23 处引用
  1. 1

    半导体存储器件与电路

    余诗孟

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  2. 2

    CMOS超大规模集成电路设计（第4版）

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  3. 3

    Read Stability and Write-Ability Analysis of SRAM Cells for Nanometer Technologies

    Evelyn Grossar; Michele Stucchi; Karen Maex; Wim Dehaene · 2006

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  4. 4

    SRAM Assist Techniques for Operation in a Wide Voltage Range in 28-nm CMOS

    Brian Zimmer; Seng Oon Toh; Huy Vo; Yunsup Lee; Olivier Thomas; Krste Asanović; Borivoje Nikolić · 2012

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