طراحي سلول حافظه غيرفرار هيبريدي كم توان، پر سرعت با تراكم بالا با استفاده از چهار ترانزيستور و يك ممريستور

Design of Low-Power, High-Speed, High-Density Hybrid Nonvolatile Memory Cell Using 4-Transistor and 1-Memristor

ممريستور به­ عنوان چهارمين عنصر بنيادي بعد از مقاومت، خازن و سلف شناخته مي‌شود. ممريستور به‌خاطر توان مصرفي صفر در حالت نگه­داري داده و غيرفرار بودن، در آينده‌اي نزديك مي‌تواند به عنصر اساسي حافظه‌هاي اصلي يا پنهان دست­رسي تصادفي ايستا (SRAM) يا دست­رسي تصادفي پويا (DRAM) تبديل شود، همچنين مي‌تواند به‌صورت مؤثري راندمان، سرعت، زمان راه‌اندازي و توان مصرفي مدارها را بهبود بخشد. سلول حافظه معرفي شده در اين مقاله 4T1M است كه با حفظ بيشترين ويژگي­ هاي 6T1M باعث كاهش مساحت اشغالي سلول شده است. به‌منظور شبيه­ سازي حافظه پيشنهادي، طول ممريستورها 10 نانومتر و مقاومت حالت‌هاي روشن و خاموش آنها به ترتيب 1 كيلو-اهم و 200 كيلو-اهم انتخاب شده است. همچنين، ترانزيستورهاي MOS سلول نيز توسط مدل PTM HP CMOS 32 نانومتر شبيه ­سازي شده‌اند. شبيه­ سازي در نرم­افزار اچ-اسپايس و با تغذيه 0/9 ولت و مقايسه آن با دو سلول شش ترانزيستوري مرسوم (6T) و شش ترانزيستوري-يك ممريستوري (6T1M) نشان مي‌دهد كه استفاده از ممريستور در سلول حافظه باعث به صفر رساندن توان مصرفي حين نگه­داري داده براي مدت طولاني و كاهش مساحت اشغالي به ميزان 36/7 درصد نسبت به سلول 6T1M مي ­شود. سرعت نوشتن داده "يك" روي سلول پيشنهادي تنها 30 پيكو-ثانيه است كه در مقايسه با سلول 6T1M بهبود 3 برابري را نشان مي‌دهد ولي در زمان نوشتن داده صفر تغيير محسوسي مشاهده نمي‌شود. توان ايستاي سلول پيشنهادي نسبت به سلول شش ترانزيستوري، 133 برابر كاهش داشته است و توان پوياي آن با سلول 6T1M تفاوت ناچيزي دارد اما 60 برابر از سلول شش ترانزيستوري انرژي كمتري مصرف مي ­كند.

Memristor is the fourth fundamental element after resistor, capacitor, and inductor. Memristor can become an essential element of SRAM and DRAM caches because of its zero power consumption in data storage and non-volatile state. It can effectively improve the efficiency, speed, and power consumption of circuits. In this paper, we propose a 4T1M memory cell reducing the cell area by maintaining the maximum properties of 6T1M. To simulate the proposed memory cell, the length of the memristors is 10 nm, and the resistance of their on and off states is selected as 1 kΩ and 200 kΩ, respectively. Also, the cell MOS transistors are simulated by the 32 nm HP CMOS PTM model. Simulations in H-Spice software, at 0.9 V power supply, have been conducted to compare the proposed cell characteristics with two conventional six-transistor (6T) and six-transistor one-memristor (6T1M) cells. The results show that using a memristor in a memory cell causes zero power consumption during data storage for a long time and reduces the occupied area by 36.7% compared to the 6T1M cell. The speed of writing “1” data on the proposed cell is only 30 ps, which shows a 3-fold improvement compared to the 6T1M cell, but no significant change is observed when writing “0” data. The static power of the proposed cell is 133 times less than that of a six-transistor cell, and its dynamic power is about the same as the 6T1M cell, but it consumes 60 times less energy than a six-transistor cell.