鐵電存儲器基本架構(gòu)

鐵電存儲器的核心是鐵電存儲單元，我們鐵電存儲器的絕大部分電路都是圍繞著存儲單元來設(shè)計的。而鐵電存儲器除了存儲單元組成的存儲陣列外，一般還包括以下幾個模塊：譯碼電路、控制邏輯電路、靈敏放大器模塊、ECC 模塊、數(shù)據(jù)通路、地址通路等。下面將結(jié)合圖 2-7 說明各個模塊的作用。

譯碼電路是任何存儲芯片都必須的一種電路結(jié)構(gòu)，它用于將每一個地址變成One-hot（一位有效）的控制信號來控制存儲單元。由于存儲單元在陣列中呈矩形陣列式排布，必須有一個譯碼模塊來將存儲單元進(jìn)行定位，目的是讓外部控制邏輯，如靈敏放大器等，來對存儲單元進(jìn)行讀寫操作。譯碼模塊一般分為行譯碼和列譯碼，分別對應(yīng)矩形存儲陣列的行和列。外部地址傳導(dǎo)到行譯碼器和列譯碼器后，兩個譯碼模塊都將輸出一個 One-hot 的信號連接到存儲陣列，這兩根信號相交叉的點(diǎn)即是外部電路需要進(jìn)行讀寫操作的存儲單元。

靈敏放大器電路的目的是將存儲陣列中讀出的數(shù)據(jù)的電壓進(jìn)行放大。在前文中對存儲單元讀寫時序的介紹中我們?到，在讀出數(shù)據(jù)時，我們需要給存儲單元施加 PL 脈沖，同時使 WL 變?yōu)楦唠娖?，從而使鐵電電容在位線上釋放電荷，釋放電荷后位線上便會產(chǎn)生電壓。位線上產(chǎn)生的電壓有兩個特點(diǎn)，一是兩根互補(bǔ)的位線上的電壓有一定的差距，一根位線上的電壓會比另一根位線上的高；二是兩根位線上的電壓都不是全擺幅，高電壓的位線電壓達(dá)不到電源電壓，低電壓的位線電壓也大于 0。而存儲器的外圍電路，如數(shù)據(jù)鎖存、ECC 等，都是數(shù)字邏輯，只能識別電源電壓或接地電壓。所以我們需要在存儲陣列和外圍數(shù)字邏輯之間加入一個靈敏放大器，用于將兩根位線上的電壓放大到全擺幅，放大過后再輸出到外圍的數(shù)字邏輯電路。

ECC 電路全稱為錯誤檢查修正（Error Correct Code）電路，它用于對存儲數(shù)據(jù)的檢查和修正。ECC 修正存儲數(shù)據(jù)錯誤的方法是在存儲器中添加一些冗余單元，然后將 ECC 編碼譯碼電路放在存儲器的數(shù)據(jù)通路上，對數(shù)據(jù)進(jìn)行ECCs 的編碼譯碼設(shè)計。當(dāng)存儲器存入 k 位數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)便會經(jīng)過 ECC 編碼電路，編碼電路會將 k 位數(shù)據(jù)編碼得到n 位碼字，再將 n 位碼字存儲到冗余的陣列之中。如果存儲的數(shù)據(jù)有任何一位發(fā)生錯誤，則在讀取數(shù)據(jù)時，讀出的數(shù)據(jù)會經(jīng)過 ECC 譯碼電路，譯碼器會將錯誤進(jìn)行修正，恢復(fù)正確的 k 位數(shù)據(jù)。具體到本文的存儲器設(shè)計，k 為32，n 為 6。

控制邏輯模塊的作用顧名思義，就是控制電路中其余各個模塊的正常工作。具體來說就是，控制邏輯模塊會接收來自芯片外部的控制信號，如片選信號、寫使能信號、讀使能信號等，根據(jù)外部信號的行為，產(chǎn)生一定的時序邏輯信號，并輸出到電路中的其余模塊中，如靈敏放大器、數(shù)據(jù)鎖存、地址鎖存等，以控制其他模塊的工作?？刂七壿嬆K是存儲器能正常工作的核心模塊，只有在這個模塊輸出的信號控制之下，其他模塊才能正常的互相協(xié)作運(yùn)行。

數(shù)據(jù)通路和地址通路的作用可以理解為暫存數(shù)據(jù)和地址。對于數(shù)據(jù)通路而言，芯片外部想要寫入存儲陣列的數(shù)據(jù)需要入緩存等待，等待的原因有以下幾點(diǎn)：一是我們不一定會將每一次外部寫入的數(shù)據(jù)都單獨(dú)寫入存儲陣列，我們有可能需要等待外部連續(xù)寫入幾組數(shù)據(jù)后，再將數(shù)據(jù)鎖存中的數(shù)據(jù)一次性寫入存儲陣列；二是由于 ECC 電路的存在，我們每次將數(shù)據(jù)寫入存儲陣列前，都需要將存儲陣列中的數(shù)據(jù)讀取出來，然后把新數(shù)據(jù)存入后重新讓 ECC 模塊進(jìn)行編碼，然后才能再將數(shù)據(jù)寫入存儲陣列；三是控制邏輯模塊是控制數(shù)據(jù)寫入存儲陣列的模塊，但是當(dāng)外部數(shù)據(jù)進(jìn)入存儲器后，控制邏輯模塊需要一定的時間準(zhǔn)備并產(chǎn)生相應(yīng)的時序控制信號后，才能將數(shù)據(jù)寫入存儲陣列。所以由于以上因素，必須有一個數(shù)據(jù)通路來暫存數(shù)據(jù)，并且可能不止需要一個數(shù)據(jù)鎖存器（圖 2-7 中只畫出一個）。對于地址鎖存而言，原理跟數(shù)據(jù)鎖存類似，在地址信號進(jìn)入存儲器內(nèi)部后，需要等待控制邏輯做出相應(yīng)，地址信號才能傳導(dǎo)至譯碼模塊，所以需要一個地址鎖存器來作為地址緩存，防止存儲器發(fā)生錯誤。 

以上介紹的便是鐵電存儲器所必需的基本電路架構(gòu)，這些電路模塊是鐵電存儲器設(shè)計中的基礎(chǔ)模塊。但是由于鐵電存儲器所使用的鐵電電容，相較于其他類型的存儲器具有一定的特殊性，我們需要考慮鐵電存儲器本身的特點(diǎn)，加入其他的輔助電路，以使鐵電存儲器高效、正確的運(yùn)行。