Avaliação do impacto da variabilidade PVT e envelhecimento em células de memória SRAM

Abstract

Sistemas computacionais necessitam armazenar dados com desempenho adequado. Para alcançar este objetivo é necessário a utilização de uma hierarquia de memória, para combinar o uso de memórias de alta velocidade com memórias de alta capacidade e baixo custo por bit. Este trabalho é focado no estudo de memórias SRAM (Static Random Access Memory), que estão localizadas no topo da hierarquia de memória, que permitem o acesso aos dados em alta velocidade por serem fabricadas na mesma tecnologia do processador. Memórias SRAM permitem o armazenamento de dados enquanto o sistema estiver conectado a alimentação. Este tipo de memória é projetado em estruturas de blocos, que por sua vez são um conjunto de colunas que conectam n células aos circuitos de escrita, leitura e pré-carga. A célula é o componente que armazena dados, sendo que cada uma armazena 1 bit. A evolução tecnológica possibilitou a redução dos transistores e consequentemente aumentou o seu desempenho assim como reduziu a potência destes dispositivos. Na atual geração de circuitos integrados, as dimensões dos transistores chegaram à escala nanométrica. Entretanto, circuitos nessa escala são mais vulneráveis aos efeitos de variabilidade PVT (Process Voltage Temperature) e envelhecimento por BTI (Bias Temperature Instability). Estes efeitos fazem com que o circuito possa apresentar desvios em relação ao projeto inicialmente definido. Em células de memória SRAM, esses efeitos podem provocar a inversão dos bits armazenados, mau funcionamento e até mesmo impossibilitar a escrita e/ou leitura de dados. Este trabalho tem como objetivo o estudo de três topologias de células de memória SRAM: 6T, 8T e 9T. É investigado o impacto da variabilidade PVT e envelhecimento por BTI no desempenho, robustez e consumo elétrico nas células avaliadas em duas tecnologias: 16n de alto desempenho em tensão nominal e low power em regime near-threshold. Os resultados mostram que as células SRAM operando com tensão de alimentação reduzida são mais sensíveis a variabilidade de processo e envelhecimento. Considerando operação com tensão nominal e near-threshold, as células 8T e 9T se mostram mais robustas que a célula convencional 6T. No geral, a célula 8T mostrou menor variação diante dos impactos de variabilidade e envelhecimento. Embora a célula 9T apresente um comportamento próximo da 8T na maioria dos casos, justamente por ser uma adaptação da 8T, esta célula apresentou resultados de variabilidade PVT levemente inferior.

Computing Systems need to store data with good performance. To achieve this goal is required to use a memory hierarchy to combine fast technologies with high number of bits and cheap cost per bit memories. This work is focused in SRAM memories that are made in the same technology of the processor which allows to have high performance. SRAM (Static Random Access Memory) allows the data storage while the system is connected to the power supply. This kind of memory is organized in block structures that are formed by various columns with n cells connected in bitlines with write driver, read driver and precharge circuit. Each cell stores a single bit. Technological evolution promoted transistors reducing and consequently increased its performance and reduced its power consumption. In modern integrated circuits, transistors sizing reached nanometric scale. However, circuits in that scale are more vulnerable to PVT variability, BTI aging and radiation by SEU. All these effects can make deviations in initial design expectation. In SRAM memory cells, it can provoke bit-flips, malfunctioning and even impede writing and/or reading data from memory. This work objective is the evaluation of 1-bit SRAM cells 6T, 8T and 9T. The present work investigates the impact of PVT variability, BTI aging and SEU on performance, robustness, and power of evaluated cells in two technologies: 16n high performance at nominal voltage and low power at near-threshold regime. Results show that SRAM cells at lower voltages show higher sensibility to variability and aging. Considering near-threshold and nominal operation 8T and 9T cells show higher tolerance to these effects than conventional 6T cell. In general, 8T cell showed smaller variation under variability and aging impact. Despite the 9T cell presented behavior close to 8T cell, precisely because it is an adaptation of 8T cell, this cell presents variability PVT results slight lower.