Durağan enerji kaybına karşı geliştirilen içerik uyarlamalı bit hücreleri ile özgün sram tasarımı: CSRAM

Abstract

Shrinking feature sizes of transistors with rising technology increase the transistor leakage currents by this alteration in sizes directly and also by effects caused by transistor density and this loop with own feedback increase the rate of the static energy dissipation on total power consumption. To this problem, at all levels in modern processors from compiler level to processor units level and then SRAM to transistor level from top to bottom there are so many techniques developed. There is still a need of transistor level solutions and designs to memory structures especially for SRAM which have high transistor density and a large proportion of processor. On account of these purposes, Content-aware Bitcells developed to reduce static energy dissipation and a novel SRAM design called CSRAM by using these bitcells will be introduced within the scope of this thesis. Suggested bitcell adapt the bias voltages to its own transistors and by this adaptive voltage regulation while storing the logic value of one or zero the threshold voltages adjusted to high. Thus, by developed Content-Aware bitcells in all cases the leakage currents are shortened effectively. Furthermore, the Simplified CSRAM bitcells; developed to unravel the case that the different body bias voltages are not allowed in some manufacturing technologies and also to get rid of the complexity of the necessary negative power supply circuitry while providing gain rates by %35 for static energy dissipation, and the Multicontent-aware CSRAM bitcells; emerged as a solution to massive rise of the area overhead when the CSRAM is used in a circuitry with small number of ports while this cost is relatively little for a one having a large number of ports, and can provide a reduction in area overhead by %6, will be mentioned in this thesis.

Gelişen teknoloji ile küçülen transistör boyutları, hem direkt olarak azalan boyutların etkisi ile hem de transistör yoğunluğundan kaynaklanan ısıl problemler gibi etkilerle transistör sızdırma akımlarını artırmakta ve kendi içinde beslemeli bu döngü ise durağan enerji kaybının güç tüketimi üzerine etkisini giderek daha da artırmaktadır. Modern işlemcilerde bu soruna karşı, derleyici seviyesinden işlemci birimleri seviyesine, SRAM seviyesinden transistör seviyesine kadar her seviyeden birçok teknik geliştirilmiştir. Fazla transistör yoğunluğuna ve işlemci içerisinde önemli paya sahip bellek yapıları ve özellikle SRAM üzerine transistör seviyesinde tasarımlara halen ihtiyaç duyulmaktadır. Bu amaçlarla durağan enerji kaybına karşı geliştirilen İçerik Uyarlamalı Bit Hücreleri ve bu bit hücrelerinin kullanıldığı özgün bir SRAM tasarımı olan CSRAM tez kapsamında anlatılacaktır. Önerilen bit hücresi, kendi transistörlerinin bias gerilimlerini, içinde tuttuğu bit değerine uyarlamaktadır ve uyarlanan bias gerilimleri ile mantık 0 veya 1 tutulurken kapalı transistörlerin eşik değeri voltajları daha yüksek ayarlanmaktadır. Sonuç olarak, geliştirilen İçerik Uyarlamalı CSRAM Bit Hücresi sayesinde her durumda sızdırma akımları önemli oranda azaltılmaktadır. Tez içerisinde ayrıca, bazı üretim teknolojilerinde NMOS transistörler için farklı alttaş gerilimlerine izin verilmemesi ve NMOS bias gerilimi için gerekli negatif güç besleme devresinin karmaşıklığından kurtulmak için geliştirilen ve durağan enerji kaybında %35 oranlarına kadar azalma sağlayan yalınlaştırılmış CSRAM bit hücresinden; yazmaç öbeği gibi birimlerin ihtiyaç duyduğu çok portlu devrelerde azalan alan maliyetinin, önbellek gibi birimlerde kullanılacak az portlu devrelerde oldukça yükselmesi sorununa karşı geliştirilen ve alan maliyetini %6?lara kadar düşürebilen Çoklu İçerik Uyarlamalı CSRAM bit hücrelerinden bahsedilecektir.