CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU Hiện nay, các ngành điện tử và công nghệ thông tin phát triển cực kỳ nhanh chóng đã dẫn đến sự ra đời của các thiết bị hiện đại cùng với những sản phẩm công nghệ cao. Các thiết bị và sản phẩm này đã và đang giúp ích rất nhiều cho đời sống và xã hội, góp phần hỗ trợ nâng cao chất lượng cuộc sống cho con người cũng như đem lại ý nghĩa vô cùng to lớn trong công cuộc chạy đua phát triển công nghệ giữa những nước phát triển trên thế giới. Khi nói đến sự thành công của cuộc cách mạng công nghiệp hiện nay thì không thể bỏ qua sự quan trọng của lĩnh vực chế tạo vi mạch điện tử, lĩnh vực đã tạo ra những con chip khá nhỏ bé nhưng mang một ý nghĩa to lớn và là một thành phần không thể thiếu trong các mạch điện tử. Sự phát triển của lĩnh vực sản xuất vi mạch điện tử đã dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của ngành nhúng và IoT, điều này giúp tạo ra các hệ thống đáp ứng các ứng dụng đòi hỏi sự phức tạp, nhanh chóng, hiệu quả, hiện đại và từ đó khiến các lĩnh vực đời sống của con người được cải thiện một cách đáng kể.
Để có thể hoạt động được một cách chính xác và hiệu quả thì các hệ thống phải được lập trình các chức năng bằng những câu lệnh và sau đó lưu các chức năng này vào bên trong bộ nhớ. Bộ nhớ đã có được sự phát triển đáng kể so với giai đoạn những năm trước đây và hiện nay đã rất nhiều xu hướng phát triển trong lĩnh vực này. Dung lượng của bộ nhớ càng ngày càngtăng cao, các bộ nhớ được trang bị bên trong máy tính và các thiết bị di động có thể có dung lương lên đến hàng trăm gigabyte hay thậm chí là terabyte và điều này mang lại một hiệu suất cực kỳ mạnh mẽ trong việc dùng những ứng dụng đòi hỏi khả năng xử lý đa nhiệm cao. Ngoài dung lượng thì tốc độ truy cập và khả năng truy cập dữ liệu của bộ nhớ đã được nâng cao rất nhiều,điều này giúp nâng cao hiệu suất của các thiết bị.
Có 2 loại bộ nhớ chính bộ nhớ ROM (bộ nhớ chỉ đọc) và bộ nhớ RAM (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên). Bộ nhớ ROM có nhiệm vụ giúp hệ thống lưu trạng thái hoạt động, các bit được lưu trữ trong bộ nhớ ROM luôn được giữ cố định và chỉ thay đổi khi bộ nhớ ROM được nạp lại. Bộ nhớ RAM là nơi dùng để lưu những dữ liệu và ứng dụng đang được sử dụng để giúp cho thiết bị có thể truy cập một cách nhanh chóng, dữ liệu lưu trong bộ nhớ RAM sẽ không 1 7 được lưu khi bộ nhớ không được cấp điện. Có hai loại bộ nhớ RAM là DRAM và SRAM.
Đối với bộ nhớ DRAM, các bit dữ liệu được lưu trữ trong một tụ điện riêng bên trong mạch tích hợp. Tụ điện có thể được nạp hoặc xả, hai trạng thái này đại diện cho hai trạng thái “0” và “1”. Bộ nhớ DRAM cần được nạp điện sau một khoảng thời gian là vài mili giây để giúp bù đắp cho sự rò rỉ điện từ tụ điện. Nếu DRAM không được nạp điện thì tụ điện sẽ bị rò điện và các bit được lưu trữ sẽ mất dần.
Bộ nhớ SRAM khác với DRAM vì bộ nhớ SRAM dùng các bóng bán dẫn liên kết tạo thành một công tắc để có thể lưu các bit “0” và “1”. Bộ nhớ SRAM giúp tiêu thụ ít năng lượng hơn đồng thời nhanh hơn bộ nhớ DRAM khi đọc và ghi dữ liệu nên bộ nhớ SRAM liên tục được cải tiến theo phương hướng giúp giảm tiêu thụ năng lượng hơn và có khả năng giảm được nhiễu trong quá trình bộ nhớ hoạt động [1]. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực chế tạo vi mạch điện tử, CMOS đã có nhiều cải tiến vượt bậc. Sự thu nhỏ những thành phần của CMOS, tiêu biểu là các quy trình sản xuất 5nm, 7nm đã giúp tăng được mật độ linh kiện, tăng hiệu suất hoạt động và giảm được chi phí sản xuất.
Ngoài ra, hiệu suất năng lượng cũng được tối ưu hóa giúp năng lượng tiêu thụ giảm bớt mà vẫn có khả năng duy trì được hiệu suất cao và điều này đặc biệt quan trọng trong thời đại phát triển của các thiết bị di động như hiện nay. Khả năng tích hợp được nhiều chức năng và thành phần hơn trên một chip cũng là một đặc điểm rất quan trọng giúp đem lại được sự tiện ích và tăng sự linh hoạt trong thiết kế vi mạch. Rất nhiều nghiên cứu đã được tiến hành nhằm đánh giá kiểm tra về chức năng và các yếu tố quan trọng trong một bộ nhớ SRAM. Tạp chí “Phân tích hiệu năng của các thiết kế SRAM trên công nghệ TSMC 90nm CMOS” của tác giả Phạm Văn Khoa và Nguyễn Duy Thông đã xây dựng 2 thiết kế ô nhớ là 6T và 8T với công nghệ 90nm nhằm đánh giá sự nổi trội của cấu trúc ô nhớ 8T với cấu trúc ô nhớ 6T trong thiết kế bộ nhớ SRAM [2].
Ngoài ra, công suất tiêu thụ và độ trễ tín hiệu cũng được các tác giả đưa ra phân tích và so sánh trong từng điều kiện môi trường khác nhau đối với mỗi thiết kế. Tuy nhiên, tác giả vẫn chưa phân tích rõ phương thức hoạt động của ô nhớ trong thiết kế SRAM và chưa thực hiện quá trình kết nối các khối để tạo được một bộ nhớ SRAM đầy đủ. Trong “Thiết kế bộ nhớ 2 7 SRAM 32KB kết hợp kỹ thuật dự trữ hàng và cột” của tác giả Võ Thanh Trí đã trình bày một thiết kế bộ nhớ SRAM đồng bộ có dung lượng 32 KB sử dụng kiến trúc ô nhớ 6T và công nghệ CMOS UMC 90 nm [3]. Do sự kết hợp các kỹ thuật khác nhau như tự căn chỉnh thời gian, giải mã đa tầng, dữ trữ hàng và cột và cơ chế đa hợp nên thiết kế đã giúp công suất tiêu thụ và độ ổn định được tối ưu và đạt được hiệu suất cao về tốc độ.
Đồng thời, nghiên cứu còn đưa ra sự so sánh hiệu năng với các công trình khác nhau và đạt được kết quả tích cực. Tuy nghiên cứu đã có sự phân tích về tốc độ và hiệu suất nhưng tác giả vẫn có sự đề cấp đến cấu trúc chi tiết của một bộ nhớ SRAM và cũng như chưa đề cập đến độ nhiễu và độ trễ của tín hiệu. Trong “Design and Analysis of 8x8 Static RAM” của tác giả Mansi S. Wagh, Sangeeta Parshionikar, các tác giả đã thiết kế bộ nhớ SRAM 8x8 bằng cách sử dụng các thiết kế ô nhớ SRAM 6T và đồng thời còn thực hiện thiết kế layout cho bộ nhớ [4].
Ngoài ra, nghiên cứu còn đề cập đến việc cải tiến bộ nhớ SRAM 8x8 bằng cách tăng thời gian truy cập và giảm độ nhiễu trong quá trình hoạt động nhưng vẫn còn hạn chế là nghiên cứu chưa mở rộng ra các thiết kế lớn hơn và cũng chưa so sánh công suất, độ dự trữ nhiễu của thiết kế ô nhớ 6T so với các thiết kế ô nhớ khác. Qua quá trình tìm hiểu các đề tài liên quan đến thiết kế vi mạch, đề tài “Thiết kế và mô phỏng bộ nhớ SRAM 32x32 theo công nghệ 90nm” đã được nhóm lựa chọn để nghiên cứu nhằm đánh giá chức năng hoạt động của một bộ nhớ SRAM 32x32. Bên cạnh đó, thông qua việc tính toán và so sánh các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất thiết kế như công suất tiêu thụ, độ trễ tín hiệu và độ nhiễu của các thiết kế ô nhớ 4T, 6T, 7T, 8T, 9T nhóm sẽ lựa chọn thiết kế ô nhớ tối ưu nhất để tiến hành thiết kế và thực hiện quá trình mô phỏng bộ nhớ SRAM 32x32 theo công nghệ 90nm bằng phần mềm Cadence Virtuoso. Đồng thời, đề tài sẽ phân tích, tính toán các thông số như độ trễ của tín hiệu, độ dự trữ nhiễu và công suất mà bộ nhớ tiêu thụ trong quá trình hoạt động.2 MỤC TIÊU So sánh các thiết kế ô nhớ 4T, 6T, 7T, 8T, 9T về các thông số như công suất tiêu thụ, độ dự trữ nhiễu và độ trễ tín hiệu để chọn ra thiết kế ô nhớ tối ưu.
Kiểm 3 7 tra hoạt động của các thành phần kết nối như mạch nạp trước, mạch giải mã, mạch đọc và mạch ghi để đảm bảo hoạt động đúng chức năng. Thiết kế bộ nhớ SRAM 32x32 sử dụng thiết kế ô nhớ tối ưu cùng các thành phần kết nối như mạch nạp trước, mạch giải mã, mạch đọc, mạch ghi. Quá trình mô phỏng bộ nhớ SRAM 32x32 sẽ được thực hiện bằng phần mềm Cadence Virtuoso nhằm tiến hành độ chính xác khi tiến hành ghi và đọc. Thực hiện đo độ trễ tín hiệu trong việc truy xuất dữ liệu, độ nhiễu của tín hiệu và tính toán công suất tiêu thụ của bộ nhớ trong quá trình hoạt động.3 NỘI DUNG Đề tài nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế và mô phỏng bộ nhớ SRAM 32x32 bằng cách sử dụng cấu trúc ô nhớ tối ưu.
Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu và đánh giá các đặc tính hoạt động của bộ nhớ được thiết kế bao gồm độ trễ tín hiệu, độ dự trữ nhiễu và công suất tiêu thụ trong môi trường mô phỏng. Trong quá trình nghiên cứu, sinh viên thực hiện sẽ tiến hành so sánh các cấu trúc ô nhớ 4T, 6T, 7T, 8T, 9T để có thể lựa chọn thiết kế tối ưu dựa trên các thông số như độ trễ tín hiệu, độ dự trữ nhiễu và công suất tiêu thụ. Nhóm chỉ thực hiện so sánh các thiết kế ô nhớ đươc nêu và các thông số được so sánh cũng không bao gồm thêm các thông số khác. Quá trình thiết kế và mô phỏng bộ nhớ SRAM 32x32 được thực hiện hoàn toàn bằng công nghệ sản xuất 90nm và phần mềm Cadence Virtuoso sẽ được sử dụng để thực hiện các công đoạn thiết kế và mô phỏng trong đề tài.
Nghiên cứu của nhóm không bao gồm thiết kế layout, sản xuất hay vận chuyển mà toàn bộ nội dung chỉ dừng lại ở việc thiết kế và mô phỏng để đảm bảo các mục tiêu nghiên cứu được thực hiện đầy đủ và chi tiết.4 BỐ CỤC ĐỀ TÀI Chương 1: Tổng quan Giới thiệu về sự phát triển của vi mạch điện tử và bộ nhớ SRAM trong thời đại hiện nay. Đưa ra được lý do thực hiện đề tài, những mục tiêu đề tài cần đạt được và một số giới hạn của đề tài.