MoSys社の製品定義およびアプリケーション担当ディレクターのMark Baumannによるこの記事では、MoSys社の専門家がBlazarおよびQuazar製品ラインのメモリ セル設計とそれぞれの機能および利点をどのようにして決定したかについて説明します。
MoSys Accelerator EngineファミリーのBlazarおよびQuazar製品の設計プロセスの一環として、使用するベース (セル設計) テクノロジとして最適なもの (サイズ、速度、価格に関して) を決定する必要がありました。他のブログや技術記事でも述べられているように、目標は、QDR SRAMと同様のアクセス パラメータを持ちながら、同時に、現在のQDRデバイスの2倍から4倍の密度を提供するコスト効率の高いデバイスとなる製品を構築することでした。
最初の選択は、メモリセルの設計に落ち着くことでした。当時可能だった3つの選択肢は、SRAM、DRAM、E-DRAMでした。
大まかに言えば、セルあたり6個のトランジスタを備えたSRAM、1個のトランジスタと1個のコンデンサを備えたDRAM、または1個のトランジスタと1個のコンデンサを備えたセルだがロジック プロセスを使用して構築されたE-DRAMの選択肢があります。この決定はセル サイズ、ひいてはダイ サイズ全体に直接影響します。
セル設計
MoSysがBlazarおよびQuazar製品ラインで使用することを選択したセル設計では、組み込みDRAM設計が採用されています。MoSysは、この設計が通常のDRAMまたはSRAMセルに比べて2つの利点があると考えています。
- 1. E-DRAMセルを使用すると、TSMCなどの製造施設で「ロジック」プロセスを使用して設計されます。ロジックとDRAMプロセスを使用することで、セルは純粋なDRAMセルよりもわずかに大きくなりますが、プロセスは、その名前のとおり、追加の組み込み機能が必要な場合に、メモリ アレイを囲む大量のロジックを統合することもできます。
- 2. このバージョンのプロセスを使用すると、非常に高速なアクセスを可能にするために、必要な特性を持つアレイを設計することもできます。
望ましい速度 (この場合はSRAM速度に近い) を達成するには、ビット ラインとワード ラインの長さを最小限に抑える必要があります。その結果、アレイのワード ラインとビット ラインを実行するために使用されるこれらの金属ラインの静電容量が最小限に抑えられ、これらのラインを駆動するために必要なライン ドライバとセンス アンプのサイズが決まります。MoSysデバイスに関しては、通常のDRAMデバイスでは標準である1行あたり約2000ビットであるのに対し、アレイは1行あたりわずか144ビットの行で設計されました。これにより、ライン ドライバとセル自体がアクティブになったときに駆動する必要がある負荷が軽減されます。
ドライバーのサイズを縮小しました。ライン ドライバが大きな容量性負荷を駆動する必要がない場合は、ドライバのサイズを縮小できます。これには、ドライバーを小さくできるというプラスの効果がありますが、アレイのより小さな部分を駆動するため、より多くのドライバーが必要になるという若干のマイナスの効果もあります。
電力にも影響が出ます。E-DRAMの利用による電力の影響を検討すると、1回のアクセスでは、より多くのビットのアクセスよりも電力が少なくて済みます。P=CV2Fの式が直接適用できます。1回のアクセスでC係数 (容量) が減少するため、より短いビット ラインとワード ラインを駆動する必要があり、結果として生じる電力消費が削減されます。
パワー対スピード。前の段落で述べたように、駆動する必要のある容量性負荷が減少することで、単一アクセスの個々の電力が削減されます。静電容量を減らすことで、ラインをより速く駆動および回復できるようになり、結果として速度が向上します。これにより、アレイの実行速度が向上し、デバイスの帯域幅が広がります。この影響として、F (周波数) 係数が増加するため、同じP=CV2F方程式が増加するため、消費電力がわずかに増加します。その結果、同等の密度のQDRデバイスよりも電力が削減されます。
セル サイズ。40nm TSMCプロセスのE-DRAMセルはそれぞれ約0.242um2 を占めます。一方、同等の技術における単一のSRAMセルは約0.370um2 を占め、これはE-DRAMセルよりも約53% 大きくなります。ダイ上に576 Mのこれらのセルを配置すると、ダイ全体のサイズに非常に大きな影響が生じます。E-Dramセルでは、SRAMの同じ密度のアレイの約半分のサイズのダイになります。(これが、新しいテクノロジーであっても、SRAMセルのサイズが利用可能なアレイの密度を制限する要因となる主な理由です。最も密度の高いSRAMは288Mbで、DRAMはGb以上の密度です。
このセル構造をMoSys Quazar MSQ220 (0.5Gb) およびMSQ230 (1.1Gb) デバイスのベースとして使用した結果、同等のテクノロジー ノードで利用可能なSRAMデバイスの2倍から8倍の密度を実現できるようになりました。このデバイスは同等のシステム速度で動作し、同等のSRAMよりも低い消費電力を実現しながら、競争力のある価格を実現しています。。
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