Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

Выбор элементной базы для СУ биполярных микросхем памяти определяется допустимой потребляемой мощностью и требуемым высоким быстродействием. Схемы управления могут работать в статическом и динамическом режиме питания. Статические СУ обеспечивают высокое быстродействие, но потребляют значительную мощность.
Определим ограничения на мощность, потребляемую вентилями статических СУ (P_0) для СБИС ОЗУ. На рис. 3 представлены зависимости P_0 от мощности, потребляемой ЭП, емкости микросхемы и допустимой мощности, рассеиваемой корпусом (P_озу). Видно, что для. СБИС ОЗУ емкость, например, 16 кбит и P_озу=500 мВт необходимо использовать, вентили с P_0≤1 мВт. В статических СУ возможно применение вентилей на базе маломощных ТТЛ-схем, элементов ТТЛШ, ЭСЛ и 〖 И〗^2 Л. Однако ТТЛ, ТТШЛ и ЭСЛ-схемы значительно уступают И^2 Л - схемам по параметру потребляемой мощности (табл.1), требуют специальных корпусов для СБИС ОЗУ или принудительного охлаждения (рис. 3). Поэтому для статических СУ наиболее перспективной является элементная база И^2 Л (табл. 1): И^2 Л— I, изготовленные по стандартной технологии без изоляции компонентов;〖 И〗^2 Л — II, изготовленные по технологии с окисной изоляцией; И^2 Л — III с неиспользованием перспективных вариантов технологии И^2 Л-схем, например: И^3 Л, 〖ДИ〗^2 Л, 〖ВИ〗^2 Л и др.; И^3 Л — IV в расчете на ожидаемый уровень развития технологии И^2 Л-схем.

Основная трудность использования инжекционных СУ заключается в необходимости построения мощных импульсных источников тока, возможность реализации которых практически еще не исследована: Импульсные источники необходимы для организации двухуровневого режима работы ЭП, формирования управляющих и выходных сигналов.
Динамический режим работы СУ характеризуется тем, что они подключаются к источнику питания только в режиме обращения к СБИС ОЗУ, причем лишь та необходимая часть вентилей, которая определяется кодом адреса выбираемого ЭП. Такой режим работы СУ позволяет существенно сократить потребляемую мощность, но может вызвать некоторое снижение быстродействия за счет задержки подключения СУ источнику питания. Избежать снижения быстродействия можно с помощью увеличения потребляемой мощности (и быстродействия) вентилей; которые наиболее существенно влияют на быстродействие СБИС ОЗУ, поскольку в данном случае ограничения на P_(0 )менее существенны, чем для статических СУ (рис. 3). Кроме того, часть вентилей СУ можно вообще сделать статическими или производить их предварительное подключение к источнику питания по сигналу выборки кристалла. Далее будут рассмотрены некоторые варианты статико-динамического режима работы СБИС ОЗУ.
Для динамических СУ могут быть выбраны различные типы логических схем с И^2 Л, ТТЛ-схемы и т. д. Целесообразно применять импульсные переключатели тока на основе ЭСЛ-схем, имеющих высокое быстродействие [10]. В табл. 1 приведено несколько вариантов ЭСЛ-схем для динамических СУ. Следует отметить, что вентили (ЭСЛ —- I) ЭСЛ — II, ЭСЛ — III с фактором качества (P_(0 )х t_30) =10÷20 пДж характеризуют современный уровень развития технологии биполярных приборов, а - ЭСЛ — IV, ЭСЛ — У, ЭСЛ — VI с (P_0 x t_30) =5÷12 пДж — ожидаемый. Недостатком применения импульсных переключателей тока на основе - ЭСЛ-схем является трудность реализации в едином технологическом процессе микромощных инжекционных ЭП и быстродействующих ЭСЛ-схем управления.

Возможна различная организация режима работы СУ [14]:
1) все СУ статические;
2) питание всех СУ импульсное, обеспечивается схемой выборки кристалла;
3)схемы групповой выборки введены в структурную блок-схема СБИС ОЗУ (рис. 1);
4) схемы групповой выборки и схема выборки кристалла — статические, остальные СУ — импульсные;
5) схемы групповой выборки, связанные с ними входные буферные «схемы и схема выборки кристалла — статические, остальные СУ — импульсные;
6) схемы декодирования и формирователи — импульсные, остальные СУ — статические.
Для каждого из указанных вариантов режима работы СУ при различных сочетаниях параметров вентилей и микромощных инжекционных: ЭП проведены оценки основных параметров СБИС ОЗУ емкость 4÷65 кбит. Результаты расчета сведены в табл. 2, где S_озу — площадь кристалла, t_в — время цикла выборки информации, P_(хр ), P_в — мощности потребляемые в режиме хранения и выборки соответственно. Расчет проводился по методике, предложенной в работе [11].
При оценке параметров СБИС ОЗУ был выбран инжекционный ЭП с межразрядной изоляцией [4], кроме микросхем с СУ на основе И^2 Л — I вентилей, где применен ЭП, не требующий изоляции в накопителе (табл. 1). Задержка прохождения сигнала через накопитель при организации двухуровневого режима ЭП принята равной t_зп, t_сч=20÷80 нс.
Для статических СУ (варианты I ЭСЛ — I, I ЭСЛ — II, И^2 Л — I и т. д., табл. 2) предполагалось, что все вентили схем управления рассеивают практически одинаковую мощность.
При оценке быстродействия (t_в) считалось, что задержки прохождения сигнала через вентили СУ равны (за исключением схем групповой выборки с задержкой — t_(г*в)) и зависят от нагрузки: t_з= t_30+n×t_зд, где t_30 — задержка при коэффициенте разветвления по выходу n=1,t_зд,— дополнительная задержка при увеличении n числа нагрузок. Вентиль СУ | может оказывать на нагрузку пассивное воздействие, если нагрузочный вентиль не подключен к источнику питания (t_зд=t_зп) или логическое (t_зд=t_зл) в противоположном случае. Когда вентиль СУ служит в качестве импульсного питания, t_зд=t_зи (табл. 1).
В рассматриваемых СБИС ОЗУ предполагалось, что буферные схемы совмещены с первой ступенью дешифраторов, а формирователи — с последней (рис. 1).

Анализ возможностей реализации биполярных СБИС ОЗУ емкость» более 4 кбит показывает, что могут быть разработаны микросхемы памяти с высокими техническими характеристиками емкостью 4÷6 кбит на основе микромощных инжекционных ЭП и СУ на базе ЭСЛ — импульсным переключателей тока со статико-динамической организацией режима ран боты (табл. 3). При этом может быть обеспечено высокое быстродействие (t_в=50÷150 нс) и достаточно малое потребление мощности в режим хранения P_хр=20÷300 мВт. В зависимости от организации режима работы СУ потребление мощности в режиме выборки изменяется в значительных пределах и составляет P_в=20÷2000 мВт. Наилучшее сочетание технических характеристик СБИС ОЗУ достигается при введении в структурную блок-схему статических схем групповой выборки (табл. 2, варианты организации 3—6).
Полностью инжекционные статические СБИС ОЗУ на базе И^2 Л-схем более технологичны, так как не требуют изоляции компонентов. Однако подобные микросхемы памяти на современном уровне развития технологии и схемотехники будут значительно уступать по быстродействию статико-динамическим СБИС ОЗУ (t_в=200÷700 нс) при малой потребляемой мощности P_хр, P_в=3÷30 мВт (табл. 3). Реализация инжекционных микросхем памяти может быть рекомендована для недорогих БИС ОЗУ емкостью до 4 кбит со средним быстродействием (t_в=200÷300 нс). Для практической реализации инжекционных СБИС ОЗУ емкостью более 4 кбит требуются дальнейшие схемотехнические и технологические разработки. В частности, разработка высококачественных И^2 Л-вентилей с t_30=1÷5 нс и (P_0 х t_30)=1 пДж, инжекционных ЭП, не требующих межразрядной изоляции в накопителе, с небольшой площадью s_эп≤2500 〖мкм〗^2 импульсных источников тока на базе И^2 Л-схем. В этом случае могут быть реализованы СБИС ОЗУ с высоким быстродействием.
Таким образом, на достигнутом уровне биполярной технологии и схемотехники максимальный объём памяти ограничивается емкостью 16 кбит. Перспективы реализации биполярных схем памяти емкостью 32,65 кбит и более связаны с использованием динамических схем управления и динамических инжекционных запоминающих элементов.