I. Tổng quan bộ nhớ SRAM 8T cổng kép 1024 bit tại HCMUTE
Ngành công nghiệp vi mạch bán dẫn đòi hỏi các giải pháp lưu trữ tốc độ cao và tiêu thụ năng lượng thấp. Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (HCMUTE) đã tập trung nghiên cứu bộ nhớ SRAM 8T cổng kép 1024 bit. Đề tài do sinh viên Nguyễn Minh Danh và Hoàng Hữu Chánh thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Minh Thành. Hệ thống bộ nhớ được xây dựng trên công nghệ tiến trình CMOS 90nm tiên tiến. Quy mô thiết kế bao gồm một mảng lưu trữ 32 hàng và 32 cột với tổng dung lượng 1024 bit dữ liệu. Bộ nhớ SRAM đóng vai trò then chốt trong bộ nhớ đệm của các bộ xử lý hiện đại. Cấu trúc cổng kép cho phép các thao tác truy xuất dữ liệu diễn ra nhanh chóng và linh hoạt. Mô hình này khắc phục được các giới hạn vật lý của cấu trúc bộ nhớ truyền thống khi thu nhỏ kích thước bóng bán dẫn. Nghiên cứu cung cấp nền tảng lý thuyết và thực nghiệm vững chắc cho quá trình thiết kế mạch tích hợp chuyên dụng. Kết quả mô phỏng khẳng định tính khả thi cao cùng hiệu suất vượt trội của kiến trúc này trong các hệ thống nhúng thông minh.
1.1. Bối cảnh nghiên cứu vi mạch bán dẫn tại HCMUTE
Sự bùng nổ của trí tuệ nhân tạo và thiết bị IoT thúc đẩy nhu cầu xử lý dữ liệu lớn tức thời. Ngành công nghiệp bán dẫn đòi hỏi chip điện tử phải đạt mật độ tích hợp cao và tiết kiệm điện. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đẩy mạnh nghiên cứu vi mạch nhằm đáp ứng xu thế. Đề tài SRAM 8T cổng kép 1024 bit là bước tiến quan trọng của Khoa Điện - Điện tử. Công trình giải quyết bài toán cân bằng giữa tốc độ truyền dữ liệu và năng lượng tiêu hao. Đồ án áp dụng tiến trình công nghệ bán dẫn chuẩn công nghiệp. Nghiên cứu tạo tiền đề thực tiễn cho việc phát triển các dòng vi xử lý chuyên dụng.
1.2. Tầm quan trọng của kiến trúc bộ nhớ SRAM cổng kép
Bộ nhớ SRAM là thành phần quan trọng trong cấu trúc bộ nhớ đệm cache của CPU. Dung lượng và tốc độ của SRAM ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng toàn hệ thống. Kiến trúc SRAM cổng kép mang lại ưu thế vượt trội nhờ hai cổng truy cập riêng biệt. Hệ thống cho phép thực hiện thao tác đọc và ghi cùng lúc tại hai địa chỉ khác nhau. Tính năng này giải quyết tắc nghẽn băng thông dữ liệu trong môi trường xử lý đa luồng. Cấu trúc cổng kép loại bỏ độ trễ chờ đợi giữa các chu kỳ làm việc. Bộ nhớ vận hành ổn định ngay cả khi tần số hoạt động tăng cao. Ứng dụng SRAM cổng kép giúp tăng tốc độ truyền tải thông tin trong các mạch xử lý số hiện đại.
II. Vấn đề kỹ thuật và phân tích SRAM 8T cổng kép 1024 bit
Ô nhớ SRAM 6T truyền thống bộc lộ nhiều điểm yếu nghiêm trọng khi công nghệ thu nhỏ xuống dưới 90nm. Cấu trúc 6T dùng chung đường bit cho cả hai thao tác đọc và ghi. Hiện tượng xáo trộn dữ liệu (read disturbance) thường xuyên xảy ra trong quá trình đọc ô nhớ. Điện áp tại nút lưu trữ nội bộ bị nâng cao bất thường làm giảm biên độ ổn định tĩnh (SNM). Điều này dẫn đến nguy cơ đảo trạng thái bit lưu trữ ngoài ý muốn. Vấn đề dòng rò gia tăng khi kích thước kênh dẫn co lại làm tăng công suất tĩnh của toàn chip. Độ trễ tín hiệu lan truyền cũng chịu ảnh hưởng tiêu cực từ điện dung ký sinh trên các đường bit dài. Do đó, việc duy trì tính tin cậy của SRAM 6T ở điện áp thấp trở nên bất khả thi. Các kỹ sư buộc phải tìm kiếm cấu trúc ô nhớ mới với khả năng tách biệt đường dẫn. Kiến trúc SRAM 8T cổng kép 1024 bit được đề xuất như giải pháp tối ưu nhằm triệt tiêu hoàn toàn sự can thiệp giữa chu kỳ đọc và chu kỳ ghi. Thiết kế này giúp kiểm soát công suất tiêu thụ và duy trì độ ổn định tín hiệu cao trong suốt quá trình vận hành liên tục.
2.1. Hiện tượng xáo trộn dữ liệu trong ô nhớ SRAM 6T
Ô nhớ SRAM 6T cấu tạo từ hai bộ biến đổi đảo ghép chéo và hai transistor truy cập. Khi thực hiện lệnh đọc dữ liệu, đường bit BL và BLB được nạp trước lên mức điện áp nguồn VDD. Transistor truy cập mở ra tạo dòng xả điện tích từ đường bit xuống đất qua nút lưu trữ mức thấp. Hiện tượng này làm điện áp tại nút lưu trữ tạm thời nhảy vọt lên cao hơn mức không lý tưởng. Nếu điện áp vượt qua ngưỡng chuyển mạch của bộ biến đổi đối diện, dữ liệu sẽ bị ghi đè sai lệch. Rủi ro mất mát dữ liệu đọc trở thành rào cản lớn nhất khi điện áp hoạt động giảm xuống dưới 1V. Cơ chế chia sẻ đường truyền khiến cấu trúc 6T khó đáp ứng yêu cầu vận hành ở tần số cao.
2.2. Thách thức về công suất tiêu thụ và độ trễ tín hiệu
Thiết kế bộ nhớ trong công nghệ 90nm đối mặt với sự gia tăng đột biến của dòng điện rò rỉ. Công suất tiêu thụ của bộ nhớ bao gồm thành phần tĩnh và động. Công suất động tăng nhanh khi tần số xung nhịp sạc xả liên tục trên các đường bit. Ngược lại, công suất tĩnh tiêu hao do hiện tượng rò rỉ dưới ngưỡng qua các cổng transistor. Độ trễ tín hiệu lan truyền tPD phụ thuộc vào thời gian chuyển đổi logic tPHL và tPLH. Khi kích thước mảng nhớ mở rộng lên 1024 bit, điện dung ký sinh dây dẫn tăng đáng kể. Tín hiệu suy hao làm chậm thời gian phản hồi của mạch cảm nhận dữ liệu. Thiết kế yêu cầu tối ưu kích thước transistor để giảm công suất mà vẫn duy trì tốc độ truyền dẫn đạt chuẩn.
III. Giải pháp thiết kế mảng bộ nhớ SRAM 8T cổng kép 1024 bit
Giải pháp thiết kế tại HCMUTE sử dụng ô nhớ 8T cổng kép kết hợp cùng hệ thống ngoại vi hoàn chỉnh. Cấu trúc ô nhớ bổ sung thêm hai transistor chuyên dụng tạo thành cổng đọc riêng biệt. Cổng đọc độc lập bao gồm đường chọn từ RWL và đường bit đọc RBL tách rời khỏi mạch ghi. Đường bit ghi dữ liệu gồm BL và BLB chịu sự điều khiển của tín hiệu đường từ ghi WL. Mạch giải mã địa chỉ 5 sang 32 đóng vai trò chọn dòng chính xác trong mảng 32 hàng và 32 cột. Khi tín hiệu cho phép EN tích cực, khối giải mã kích hoạt ngõ ra tương ứng để mở ô nhớ cần thao tác. Mạch nạp trước PRE sạc đường bit lên mức cao trước mỗi chu kỳ vận hành. Khối cảm nhận và khuếch đại (Sense Amplifier) nhận tín hiệu điều khiển SE để phát hiện độ chênh lệch điện áp nhỏ trên đường bit. Mạch khuếch đại tức thì chuyển đổi tín hiệu đọc thành mức logic hoàn chỉnh tại ngõ ra rd và rdbar. Quy trình phối hợp chặt chẽ giữa các khối chức năng đảm bảo hoạt động đọc và ghi diễn ra đồng thời mà không tạo xung đột dữ liệu.
3.1. Cấu trúc ô nhớ 8T cổng kép và cơ chế phân tách đọc ghi
Ô nhớ 8T bao gồm mạch đảo ghép chéo tiêu chuẩn kết hợp bộ đệm đọc chuyên dụng. Hai transistor bổ sung được kết nối nối tiếp tạo thành cổng giải phóng điện tích riêng biệt. Cực cổng của transistor đầu tiên liên kết với nút lưu trữ nội bộ. Cực cổng của transistor thứ hai nối trực tiếp với đường chọn từ đọc RWL. Khi tín hiệu RWL kích hoạt mức cao, trạng thái logic bên trong quyết định việc xả điện áp đường bit RBL. Cấu trúc này cô lập hoàn toàn nút lưu trữ khỏi dòng nạp của đường bit ngoài. Hiện tượng xáo trộn dữ liệu đọc bị loại bỏ hoàn toàn. Thao tác ghi dữ liệu vẫn diễn ra độc lập qua đường BL và BLB bằng tín hiệu WL. Cơ chế cách ly giúp ô nhớ đạt độ bền tĩnh tối ưu.
3.2. Thiết kế mạch giải mã 5 sang 32 và mạch ngoại vi
Mạch ngoại vi giữ vai trò điều hướng và đồng bộ dữ liệu cho mảng nhớ 32x32. Bộ giải mã 5 sang 32 tiếp nhận năm bit địa chỉ ngõ vào I0 đến I4. Mạch tạo ra 32 đường tín hiệu ngõ ra tương ứng để chọn duy nhất một hàng trong mảng. Khi chân EN tích cực mức cao, đường từ của hàng được chỉ định sẽ chuyển lên mức logic 1. Mạch nạp trước PRE điều khiển các transistor PMOS kéo điện áp đường bit lên mức VDD. Khối ghi nhận tín hiệu dữ liệu vào Data_IN và kích hoạt qua xung ghi WE. Khối cảm nhận Sense Amplifier khuếch đại chênh lệch điện áp tức thời nhờ tín hiệu SE. Sự đồng bộ chính xác giữa các khối ngoại vi giúp rút ngắn thời gian trễ lan truyền tPD và tiết kiệm điện năng vận hành.
IV. Kết luận và triển vọng của bộ nhớ SRAM 8T cổng kép 1024 bit
Đồ án nghiên cứu tại HCMUTE đã thiết kế và thẩm tra thành công hệ thống bộ nhớ SRAM 8T cổng kép dung lượng 1024 bit. Các phân tích kỹ thuật chứng minh cấu trúc 8T vượt trội hơn hẳn các mẫu ô nhớ 6T, 9T và 10T về sự cân bằng giữa diện tích, công suất và tốc độ. Bộ nhớ đạt khả năng đọc và ghi đồng thời với biên độ ổn định cao, loại bỏ hoàn toàn sự cố nhiễu loạn dữ liệu. Mạch giải mã 5 sang 32 cùng các khối ngoại vi hoạt động chính xác theo bảng trạng thái thiết kế logic. Kết quả kiểm tra mô phỏng dạng sóng đáp ứng đầy đủ yêu cầu khắt khe của vi mạch số hiện đại trên công nghệ 90nm. Kiến trúc bộ nhớ này mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong các hệ thống chip vi điều khiển SoC và thiết bị biên edge AI. Đề tài đóng góp tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho sinh viên và giới nghiên cứu ngành vi mạch tại Việt Nam. Đây là nền tảng quan trọng phục vụ mục tiêu tự chủ thiết kế mạch tích hợp chất lượng cao trong tương lai gần.
4.1. Đánh giá hiệu năng và so sánh cấu trúc SRAM
Nghiên cứu tiến hành so sánh toàn diện giữa các cấu trúc SRAM 6T, 8T đơn cổng, 9T, 10T và 8T cổng kép. Cấu trúc 6T tiêu tốn ít diện tích nhưng độ ổn định đọc rất thấp. Các kiến trúc 9T và 10T cải thiện độ bền nhưng chiếm nhiều diện tích silicon và tăng công suất tiêu thụ. Ngược lại, cấu trúc 8T cổng kép đạt được điểm cân bằng tối ưu giữa công suất, độ trễ và độ tin cậy. Việc phân tách hoàn toàn cổng đọc và cổng ghi giúp biên ổn định đọc đạt mức tương đương biên ổn định giữ. Độ trễ truy xuất dữ liệu giảm đáng kể nhờ mạch cảm nhận độ nhạy cao. Ô nhớ 8T cổng kép khẳng định tính ưu việt vượt trội trong các cấu trúc SRAM hiện đại.
4.2. Khả năng ứng dụng trong hệ thống nhúng và xử lý số
Bộ nhớ SRAM 8T cổng kép 1024 bit sở hữu tiềm năng ứng dụng phong phú trong công nghiệp vi điện tử. Hệ thống thích hợp tích hợp vào khối bộ nhớ đệm cache cấp một (L1 cache) của bộ xử lý đồ họa hoặc chip AI. Khả năng đọc và ghi đồng thời hỗ trợ xuất sắc các tác vụ xử lý đường ống pipeline phức tạp. Các thiết bị Internet vạn vật (IoT) hoạt động bằng pin được hưởng lợi lớn nhờ mức tiêu thụ năng lượng thấp của mạch. Ngoài ra, thiết kế có thể dễ dàng mở rộng quy mô dung lượng lên mức megabit trong các hệ thống System-on-Chip (SoC). Công trình nghiên cứu tại HCMUTE đánh dấu bước tiến công nghệ thực tế, mở đường cho việc phát triển các dòng vi mạch tự chủ tại Việt Nam.