JP2013120480A - Semiconductor memory device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体記憶装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor memory device.
近年、強誘電体メモリ(以下、FeRAM[ferroelectric random access memory]と呼ぶ)の実用化が進められている。 In recent years, ferroelectric memory (hereinafter referred to as FeRAM [ferroelectric random access memory]) has been put into practical use.
なお、上記に関連する従来技術の一例としては、特許文献1を挙げることができる。
As an example of the related art related to the above,
FeRAMの実用化に際して、解決すべき課題の一つはアクセス可能回数(エンデュランス)の改善である。この課題はEEPROM[electrically erasable programmable read only memory]やフラッシュメモリにも当てはまる。 In the practical application of FeRAM, one of the problems to be solved is improvement of the number of times of access (endurance). This problem also applies to EEPROM (electrically erasable programmable read only memory) and flash memory.
また、FeRAMは、不揮発性の半導体記憶装置としては高速な部類に属するが、一般的な揮発性の半導体記憶装置(例えばSRAM[static RAM])に比べると動作速度が遅い。そのため、FeRAMをシーケンサ(CPU[central processing unit]など)のワークメモリとして用いるためには、さらなる動作速度の改善が必要であった。 FeRAM belongs to a high-speed class as a nonvolatile semiconductor memory device, but its operation speed is slower than a general volatile semiconductor memory device (for example, SRAM [static RAM]). Therefore, in order to use FeRAM as a work memory of a sequencer (CPU [central processing unit] or the like), further improvement of the operation speed is necessary.
しかしながら、FeRAMのデバイス構造上、FeRAM自体のアクセス可能回数や動作速度を改善することは困難であった。 However, due to the device structure of FeRAM, it has been difficult to improve the accessible number of times and the operation speed of FeRAM itself.
本発明は、本願の発明者らにより見出された上記の課題に鑑み、例えば、FeRAMの見かけ上のアクセス可能回数や動作速度を改善することが可能な半導体記憶装置を提供することを主たる目的とする。 In view of the above-mentioned problems found by the inventors of the present application, for example, a main object of the present invention is to provide a semiconductor memory device capable of improving the apparent number of accessible times and operating speed of FeRAM. And
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体記憶装置は、アクセス可能回数に制限のあるメインメモリと、前記メインメモリの同一ワードに対して連続的なアクセスが生じないように前記メインメモリに代えてデータの入出力を行う連続アクセス制限部と、を有する構成(第1の構成)とされている。 In order to achieve the above object, a semiconductor memory device according to the present invention includes a main memory having a limited number of accessible times and a main memory in which the same word of the main memory is not continuously accessed. Instead, it has a configuration (first configuration) having a continuous access restriction unit that inputs and outputs data.
なお、上記第1の構成から成る半導体記憶装置において、前記連続アクセス制限部は、高連想度で小容量の第1キャッシュメモリである構成(第2の構成)にするとよい。 In the semiconductor memory device having the first configuration, the continuous access restriction unit may be configured as a first cache memory (second configuration) having a high association and a small capacity.
また、上記第2の構成から成る半導体記憶装置において、前記第1キャッシュメモリのデータ格納方式は、フルアソシアティブ方式である構成(第3の構成)にするとよい。 In the semiconductor memory device having the second configuration, the data storage method of the first cache memory may be a full associative configuration (third configuration).
また、上記第3の構成から成る半導体記憶装置において、前記第1キャッシュメモリのライン置換方式は、LRU[least recently used]方式である構成(第4の構成)にするとよい。 In the semiconductor memory device having the third configuration, the line replacement method of the first cache memory may be a configuration (fourth configuration) that is an LRU [least recently used] method.
また、上記第4の構成から成る半導体記憶装置は、前記第1キャッシュメモリと別に、前記第1キャッシュメモリよりも低連想度で大容量の第2キャッシュメモリを有する構成(第5の構成)にするとよい。 Further, the semiconductor memory device having the fourth configuration has a configuration (fifth configuration) having a second cache memory having a lower association and a larger capacity than the first cache memory, in addition to the first cache memory. Good.
また、上記第5の構成から成る半導体記憶装置において、前記第1キャッシュメモリはデータを不揮発的に記憶する不揮発ロジックを含む構成(第6の構成)にするとよい。 In the semiconductor memory device having the fifth configuration, the first cache memory may have a configuration (sixth configuration) including a nonvolatile logic for storing data in a nonvolatile manner.
また、上記第6の構成から成る半導体記憶装置において、前記不揮発ロジックは、ループ状に接続された複数の論理ゲートを用いてデータを揮発的に保持する揮発性記憶部と、強誘電体素子のヒステリシス特性を用いて前記揮発性記憶部で揮発的に保持されたデータを不揮発的に記憶する不揮発性記憶部と、前記揮発性記憶部と前記不揮発性記憶部とを電気的に分離する回路分離部と、を含む構成(第7の構成)にするとよい。 In the semiconductor memory device having the sixth configuration, the non-volatile logic includes a volatile memory unit that volatilely stores data using a plurality of logic gates connected in a loop, and a ferroelectric element. Using a hysteresis characteristic, a nonvolatile storage unit that nonvolatilely stores data volatilely stored in the volatile storage unit, and a circuit separation that electrically isolates the volatile storage unit and the nonvolatile storage unit And a configuration (seventh configuration).
また、上記第1〜第7いずれかの構成から成る半導体記憶装置において、前記メインメモリは、強誘電体メモリである構成(第8の構成)にするとよい。 In the semiconductor memory device having any one of the first to seventh configurations, the main memory may be configured as a ferroelectric memory (eighth configuration).
また、上記第1〜第8いずれかの構成から成る半導体記憶装置において、前記メインメモリと前記連続アクセス制限部は、同一のチップに集積化されている構成(第9の構成)にするとよい。 In the semiconductor memory device having any one of the first to eighth configurations, the main memory and the continuous access restricting unit may be integrated on the same chip (ninth configuration).
また、上記第9の構成から成る半導体記憶装置において、前記チップには、前記メインメモリへのアクセス主体となるシーケンサも組み込まれている構成(第10の構成)にするとよい。 Further, in the semiconductor memory device having the ninth configuration described above, the chip may have a configuration (tenth configuration) in which a sequencer that mainly accesses the main memory is also incorporated.
また、上記第10の構成から成る半導体記憶装置において、前記シーケンサは、CPU[central processing unit]である構成(第11の構成)にするとよい。 In the semiconductor memory device having the tenth configuration, the sequencer may be a CPU (central processing unit) (an eleventh configuration).
本発明によれば、例えば、FeRAMの見かけ上のアクセス可能回数や動作速度を改善することが可能な半導体記憶装置を提供することができる。 According to the present invention, for example, it is possible to provide a semiconductor memory device capable of improving the apparent number of accessible times and operation speed of FeRAM.
<第1実施形態>
図1は、半導体記憶装置の第1実施形態を示すブロック図である。第1実施形態の半導体記憶装置10は、シーケンサ20(CPUなど)のワークメモリとして用いられる回路ブロックであり、メインメモリ11と、連続アクセス制限部12と、を有する。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of a semiconductor memory device. The
メインメモリ11は、アクセス可能回数に制限のあるFeRAMである。FeRAMのアクセス可能回数は、1ワード当たり1012〜1013程度である。また、FeRAMの最高動作周波数は、5〜8MHz程度である。従って、FeRAMを最高動作周波数で動作させ続けると、ワーストケース(同一ワードにのみアクセスが集中した場合)では、10日程度しか動作させることができない計算となる。
The
連続アクセス制限部12は、メインメモリ11の同一ワードに対して連続的なアクセスが生じないようにメインメモリ11に代えてデータの入出力を行う回路ブロックである。
The continuous
なお、メインメモリ11と連続アクセス制限部12は、同一のチップに集積化してもよいし、別々のチップに集積化してもよい。
The
また、メインメモリ11と連続アクセス制限部12を同一のチップに集積化する場合、当該チップには、メインメモリ11へのアクセス主体となるシーケンサ20を組み込んでもよい。この場合、半導体記憶装置10は、LSIに組み込まれたメモリ(いわゆる混載メモリ)として提供されることになる。
Further, when the
上記構成から成る半導体記憶装置10において、シーケンサ20は、アドレス信号ADDR(例えば14ビット)とデータ信号DATA(例えば16ビット)を用いて、半導体記憶装置10へのアクセスを行う。このとき、シーケンサ20は、連続アクセス制限部12にメモリアクセスリクエスト信号MERQを出力する。連続アクセス制限部10は、メモリアクセスリクエスト信号MERQに基づいて、バスに流れるアドレス信号ADDRとデータ信号DATAが半導体記憶装置10に宛てられたものであることを認識し、メインメモリ11のチップイネーブル信号CEnを生成する。また、シーケンサ20は、連続アクセス制限部12にリード/ライトリクエスト信号R/Wを出力する。連続アクセス制限部12は、リード/ライトリクエスト信号R/Wに基づいて、データのリード動作を行うべきかライト動作を行うべきかを決定し、メインメモリ11のアウトプットイネーブル信号OEnとライトイネーブル信号WEnを生成する。なお、連続アクセス制限部12は、メインメモリ11へのアクセスに際して、シーケンサ20にウェイト信号WAITを出力する。以下では、連続アクセス制限部12の構成及び動作について、詳細な説明を行う。
In the
図2は、連続アクセス制限部12の構成及び動作を説明するためのブロック図である。連続アクセス制限部12は、メインメモリ11の同一ワードに対して連続的なアクセスが生じないようにメインメモリ11に代えてデータの入出力を行うキャッシュメモリの一種である。特に、本構成例の連続アクセス制限部12では、n番目のワードに一度アクセスが行われた後、m回(例えば10回)連続してミスヒットを生じない限り、n番目のワードに再アクセスを行わないことを保証するキャッシュ構造が採用されている。
FIG. 2 is a block diagram for explaining the configuration and operation of the continuous
より具体的に述べると、連続アクセス制限部12として用いられる第1キャッシュメモリは、そのデータ格納方式がmライン(例えば10ライン)のフルアソシアティブ方式とされており、ライン置換方式がLRU[least recently used]方式とされている。
More specifically, the first cache memory used as the continuous
データ格納方式としてフルアソシアティブ方式が採用された連続アクセス制限部12では、アドレスによる振り分けを行うことなく、全てのラインが検索対象となる。つまり、フルアソシアティブ方式は、高連想度を実現しやすい(連想度=ライン数)という点で、他の方式(ダイレクトマップ方式やセットアソシアティブ方式)よりも、連続アクセス制限部12としての利用に適している。
In the continuous
なお、フルアソシアティブ方式の第1キャッシュメモリは、アドレス(タグ)とデータの双方を格納しなければならない分、その回路規模が大きくなりやすい。しかし、連続アクセス制限部12は、あくまで、メインメモリ11の見かけ上のアクセス可能回数を改善することが目的であり、キャッシュのヒット率は度外視することができる。従って、連続アクセス制限部12として用いられる第1キャッシュメモリのライン数m(回路規模)はさほど大きく設計する必要がない。
Note that the first associative first cache memory is likely to have a large circuit scale because both the address (tag) and data must be stored. However, the continuous
また、ライン置換方式としてLRU方式が採用された連続アクセス制限部12では、n番目のワードに一度アクセスが行われると、その後、少なくともm回連続してミスヒットが生じない限り、n番目のワードがキャッシュから破棄されることはない。
In addition, in the continuous
このように、メインメモリ11とシーケンサ20との間に連続アクセス制限部12(連想度mで小容量の第1キャッシュメモリ)を設けることにより、n番目のワードに一度アクセスが行われた後には、m回(例えば10回)連続してミスヒットを生じない限り、n番目のワードに再アクセスを行わない(=n番目のワードをキャッシュから破棄しない)ことを保証することができるので、メインメモリ11の見かけ上のアクセス可能回数をワーストケースでも(m+1)倍に改善することが可能となる。
As described above, by providing the continuous access restriction unit 12 (first cache memory having a small association capacity m) between the
<第2実施形態>
図3は、半導体記憶装置の第2実施形態を示すブロック図である。第2実施形態の半導体記憶装置10は、第1実施形態に第2キャッシュメモリ13を追加した点に特徴を有する。そこで、第1実施形態と同様の構成要素については、図1と同一の符号を付すことで重複した説明を割愛し、以下では第2実施形態の特徴部分について重点的な説明を行う。
Second Embodiment
FIG. 3 is a block diagram showing a second embodiment of the semiconductor memory device. The
連続アクセス制限部12として用いられる第1キャッシュメモリは高連想度であるが、ライン数m(ワード数)が少なくヒット率が低いので、メインメモリ11の動作速度を改善する効果に乏しい。例えば、CPUのワークメモリとしてFeRAMを使用する場合には、数十MHzの動作速度を実現する必要がある。
The first cache memory used as the continuous
そこで、第2実施形態の半導体記憶装置10は、第1キャッシュメモリと別に、第1キャッシュメモリよりも低連想度で大容量の第2キャッシュメモリ13(例えば1Kワードの4ウェイセットアソシアティブ方式)を有する構成とされている。
Therefore, the
シーケンサ20から半導体記憶装置10へのアクセスに際しては、まず、シーケンサ20から第2キャッシュメモリ13にメモリアクセスリクエスト信号MERQ1が出力される。メモリアクセスリクエスト信号MERQ1を受けた第2キャッシュメモリ13は、そのキャッシュ内容を検索する。そこでミスヒットが生じた場合には、第2キャッシュメモリ13からシーケンサ20にウェイト信号WAIT1が出力される一方、第2キャッシュメモリ13から連続アクセス制限部12(第1キャッシュメモリ)にメモリアクセスリクエスト信号MERQ2が出力される。メモリアクセスリクエスト信号MERQ2を受けた連続アクセス制限部12(第1キャッシュメモリ)は、そのキャッシュ内容を検索する。そこでもミスヒットが生じた場合には、メインメモリ11へのアクセスを行うために、チップイネーブル信号CEn、アウトプットイネーブル信号OEn、及び、ライトイネーブル信号WEnの生成が行われる。このとき、アクセス対象とされたデータは、連続アクセス制限部12とキャッシュメモリ13の双方に格納される。一方、第2キャッシュメモリ13や連続アクセス制限部12(第1キャッシュメモリ)にヒットするデータが格納されていた場合には、メインメモリ11へのアクセスを行わずに済む。
When accessing the
このように、高連想度で小容量の連続アクセス制限部12(第1キャッシュメモリ)と低連想度で大容量の第2キャッシュメモリ13を併用する構成であれば、半導体記憶装置20の回路規模を不要に増大することなく、メインメモリ11の見かけ上のアクセス可能回数と動作速度をいずれも改善することが可能となる。
As described above, the circuit scale of the
なお、シーケンサ20とメインメモリ11との間に第2キャッシュメモリ13のみを有する構成は既存のシステムにも多く見られる。しかしながら、速度改善を目的とする第2キャッシュメモリ13では、キャッシュのヒット率が重要となるので、より多くのライン数(ワード数)を必要とする。そのため、第2キャッシュメモリ13の回路規模を現実的なサイズに抑えるには、連想度を低く設定せざるを得ない(例えば連想度4)。
A configuration having only the
従って、既存のシステム(連続アクセス制限部12を有していないシステム)では、n番目のワードに一度アクセスが行われた後、数回(例えば4回)連続してミスヒットが生じると、n番目のワードに再アクセスが行われる。もちろん、ライン数(ワード数)を増やしてキャッシュのヒット率を高めれば、ミスヒットが生じにくくなるので、メインメモリ11の見かけ上のアクセス可能回数が期待値以上に改善される場合は当然にあり得る。
Therefore, in an existing system (a system that does not have the continuous access restriction unit 12), when a miss occurs continuously several times (for example, four times) after the nth word is accessed once, n The second word is accessed again. Of course, if the cache hit rate is increased by increasing the number of lines (number of words), it will be difficult for misses to occur. Therefore, the apparent accessible number of times in the
しかしながら、ワーストケース(ミスヒットが連続するケース)を想定して、半導体記憶装置10の仕様を定めるためには、n番目のワードに一度アクセスが行われた後、m回(例えば10回)連続してミスヒットを生じない限り、n番目のワードに再アクセスを行わないことを保証することのできる連続アクセス制限部12を設けることが必須となる。
However, in order to determine the specifications of the
<連続アクセス制限部12の不揮発化>
半導体記憶装置10への電力供給が遮断されたときに、連続アクセス制限部12のキャッシュデータが残るように、連続アクセス制限部12として用いられるキャッシュメモリは、データを不揮発的に記憶する不揮発ロジックを含む構成とすることが望ましい。
<Non-volatile of continuous
The cache memory used as the continuous
図4は、連続アクセス制限部12を形成する不揮発ロジックの一構成例を示す回路図である。本構成例の不揮発ロジックは、インバータINV1〜INV7と、パススイッチSW1〜SW4と、マルチプレクサMUX1及びMUX2と、Nチャネル型電界効果トランジスタQ1a、Q1b、Q2a、Q2bと、強誘電体素子(強誘電体キャパシタ)CL1a、CL1b、CL2a、CL2bと、を有するラッチ回路である。
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration example of the nonvolatile logic forming the continuous
インバータINV1の入力端は、データ信号(D)の印加端に接続されている。インバータINV1の出力端は、インバータINV2の入力端に接続されている。インバータINV2の出力端は、パススイッチSW1を介して、マルチプレクサMUX1の第1入力端(1)に接続されている。マルチプレクサMUX1の出力端は、インバータINV3の入力端に接続されている。インバータINV3の出力端は、インバータINV5の入力端に接続されている。インバータINV5の出力端は、出力信号(Q)の引出端に接続されている。マルチプレクサMUX2の第1入力端(1)は、インバータINV3の出力端に接続されている。マルチプレクサMUX2の出力端は、インバータINV4の入力端に接続されている。インバータINV4の出力端は、パススイッチSW2を介して、マルチプレクサMUX1の第1入力端(1)に接続されている。 The input end of the inverter INV1 is connected to the application end of the data signal (D). The output terminal of the inverter INV1 is connected to the input terminal of the inverter INV2. The output terminal of the inverter INV2 is connected to the first input terminal (1) of the multiplexer MUX1 via the pass switch SW1. The output terminal of the multiplexer MUX1 is connected to the input terminal of the inverter INV3. The output terminal of the inverter INV3 is connected to the input terminal of the inverter INV5. The output end of the inverter INV5 is connected to the output end of the output signal (Q). The first input terminal (1) of the multiplexer MUX2 is connected to the output terminal of the inverter INV3. The output terminal of the multiplexer MUX2 is connected to the input terminal of the inverter INV4. The output terminal of the inverter INV4 is connected to the first input terminal (1) of the multiplexer MUX1 via the pass switch SW2.
上記したように、本構成例の不揮発ロジックは、ループ状に接続された2つの論理ゲート(図4ではインバータINV3、INV4)を用いて、入力されたデータ信号Dを揮発的に保持する揮発性記憶部VM(ループ構造部)を有する。 As described above, the nonvolatile logic of this configuration example is volatile that holds the input data signal D in a volatile manner using two logic gates connected in a loop (inverters INV3 and INV4 in FIG. 4). A storage unit VM (loop structure unit) is included.
インバータINV6の入力端は、マルチプレクサMUX1の第1入力端(1)に接続されている。インバータINV6の出力端は、パススイッチSW3を介して、マルチプレクサMUX2の第2入力端(0)に接続されている。インバータINV7の入力端は、マルチプレクサMUX2の第1入力端(1)に接続されている。インバータINV7の出力端は、パススイッチSW4を介して、マルチプレクサMUX1の第2入力端(0)に接続されている。 The input terminal of the inverter INV6 is connected to the first input terminal (1) of the multiplexer MUX1. The output terminal of the inverter INV6 is connected to the second input terminal (0) of the multiplexer MUX2 via the pass switch SW3. The input terminal of the inverter INV7 is connected to the first input terminal (1) of the multiplexer MUX2. The output terminal of the inverter INV7 is connected to the second input terminal (0) of the multiplexer MUX1 via the pass switch SW4.
強誘電体素子CL1aの正極端は、第1プレートラインPL1に接続されている。強誘電体素子CL1aの負極端は、マルチプレクサMUX2の第2入力端(0)に接続されている。強誘電体素子CL1aの両端間には、トランジスタQ1aが接続されている。トランジスタQ1aのゲートは、Fリセット信号FRSTの印加端に接続されている。 The positive electrode end of the ferroelectric element CL1a is connected to the first plate line PL1. The negative end of the ferroelectric element CL1a is connected to the second input end (0) of the multiplexer MUX2. A transistor Q1a is connected between both ends of the ferroelectric element CL1a. The gate of the transistor Q1a is connected to the application terminal of the F reset signal FRST.
強誘電体素子CL1bの正極端は、マルチプレクサMUX2の第2入力端(0)に接続されている。強誘電体素子CL1bの負極端は、第2プレートラインPL2に接続されている。強誘電体素子CL1bの両端間には、トランジスタQ1bが接続されている。トランジスタQ1bのゲートは、Fリセット信号FRSTの印加端に接続されている。 The positive terminal of the ferroelectric element CL1b is connected to the second input terminal (0) of the multiplexer MUX2. The negative electrode end of the ferroelectric element CL1b is connected to the second plate line PL2. A transistor Q1b is connected between both ends of the ferroelectric element CL1b. The gate of the transistor Q1b is connected to the application terminal of the F reset signal FRST.
強誘電体素子CL2aの正極端は、第1プレートラインPL1に接続されている。強誘電体素子CL2aの負極端は、マルチプレクサMUX1の第2入力端(0)に接続されている。強誘電体素子CL2aの両端間には、トランジスタQ2aが接続されている。トランジスタQ2aのゲートは、Fリセット信号FRSTの印加端に接続されている。 The positive electrode end of the ferroelectric element CL2a is connected to the first plate line PL1. The negative end of the ferroelectric element CL2a is connected to the second input end (0) of the multiplexer MUX1. A transistor Q2a is connected between both ends of the ferroelectric element CL2a. The gate of the transistor Q2a is connected to the application terminal of the F reset signal FRST.
強誘電体素子CL2bの正極端は、マルチプレクサMUX1の第2入力端(0)に接続されている。強誘電体素子CL2bの負極端は、第2プレートラインPL2に接続されている。強誘電体素子CL2bの両端間には、トランジスタQ2bが接続されている。トランジスタQ2bのゲートは、Fリセット信号FRSTの印加端に接続されている。 The positive terminal of the ferroelectric element CL2b is connected to the second input terminal (0) of the multiplexer MUX1. The negative electrode end of the ferroelectric element CL2b is connected to the second plate line PL2. A transistor Q2b is connected between both ends of the ferroelectric element CL2b. The gate of the transistor Q2b is connected to the application terminal of the F reset signal FRST.
このように、本構成例の不揮発ロジックは、強誘電体素子(CL1a、CL1b、CL2a、CL2b)のヒステリシス特性を用いて、揮発性記憶部VMに保持されたデータDを不揮発的に記憶する不揮発性記憶部NVMを有する。 Thus, the nonvolatile logic of this configuration example uses the hysteresis characteristics of the ferroelectric elements (CL1a, CL1b, CL2a, CL2b) to store the data D held in the volatile storage unit VM in a nonvolatile manner. It has a sex storage unit NVM.
また、上記した構成要素のうち、パススイッチSW1は、クロック信号CLKに応じてオン/オフされ、パススイッチSW2は、反転クロック信号CLKB(クロック信号CLKの論理反転信号)に応じてオン/オフされる。すなわち、パススイッチSW1とパススイッチSW2は、互いに排他的(相補的)にオン/オフされる。 Among the above-described components, the path switch SW1 is turned on / off in response to the clock signal CLK, and the path switch SW2 is turned on / off in response to the inverted clock signal CLKB (logic inverted signal of the clock signal CLK). The That is, the path switch SW1 and the path switch SW2 are turned on / off exclusively (complementarily) to each other.
一方、パススイッチSW3、SW4は、いずれも制御信号E1に応じてオン/オフされる。また、マルチプレクサMUX1、MUX2は、いずれも制御信号E2に応じてその信号経路が切り換えられる。すなわち、本構成例の不揮発ロジックにおいて、マルチプレクサMUX1及びMUX2と、インバータINV6及びINV7と、パススイッチSW3及びSW4は、揮発性記憶部VMと不揮発性記憶部NVMとを電気的に分離する回路分離部SEPとして機能する。 On the other hand, the path switches SW3 and SW4 are both turned on / off according to the control signal E1. Further, the signal paths of the multiplexers MUX1 and MUX2 are switched according to the control signal E2. That is, in the nonvolatile logic of this configuration example, the multiplexers MUX1 and MUX2, the inverters INV6 and INV7, and the path switches SW3 and SW4 are circuit separation units that electrically separate the volatile storage unit VM and the nonvolatile storage unit NVM. Functions as SEP.
次に、上記構成から成る不揮発ロジックの動作について、詳細な説明を行う。なお、以下の説明では、強誘電体素子CL1a及びCL1bの接続ノードに現れる電圧をV1、強誘電体素子CL2a及びCL2bの接続ノードに現れる電圧をV2、インバータINV4の入力端に現れる電圧をV3、インバータINV4の出力端に現れる電圧をV4、インバータINV3の入力端に現れる電圧をV5、インバータINV3の出力端に現れる電圧をV6というように、各部のノード電圧に符号を付すことにする。 Next, the operation of the non-volatile logic having the above configuration will be described in detail. In the following description, the voltage appearing at the connection node of the ferroelectric elements CL1a and CL1b is V1, the voltage appearing at the connection node of the ferroelectric elements CL2a and CL2b is V2, the voltage appearing at the input terminal of the inverter INV4 is V3, The voltage appearing at the output terminal of the inverter INV4 is denoted by V4, the voltage appearing at the input terminal of the inverter INV3 is denoted by V5, and the voltage appearing at the output terminal of the inverter INV3 is denoted by V6.
図5は、不揮発ロジックの一動作例を説明するためのタイミングチャートであり、上から順番に、電源電圧VDD、クロック信号CLK、データ信号D、制御信号E1、制御信号E2、Fリセット信号FRST、第1プレートラインPL1の印加電圧、第2プレートラインPL2の印加電圧、ノード電圧V1、ノード電圧V2、及び、出力信号Qの電圧波形を示している。 FIG. 5 is a timing chart for explaining an operation example of the nonvolatile logic. In order from the top, the power supply voltage VDD, the clock signal CLK, the data signal D, the control signal E1, the control signal E2, the F reset signal FRST, The voltage waveforms of the applied voltage of the first plate line PL1, the applied voltage of the second plate line PL2, the node voltage V1, the node voltage V2, and the output signal Q are shown.
まず、不揮発ロジックの通常動作について説明する。 First, normal operation of the nonvolatile logic will be described.
時点W1までは、Fリセット信号FRSTが「1(ハイレベル:VDD)」とされており、トランジスタQ1a、Q1b、Q2a、Q2bがオンされ、強誘電体素子CL1a、CL1b、CL2a、CL2bの各両端間がいずれも短絡されているので、これらの強誘電体素子CL1a、CL1b、CL2a、CL2bには一切電圧が印加されない状態となっている。なお、第1プレートラインPL1と第2プレートラインPL2は、いずれも、「0(ローレベル:GND)」とされている。 Until the time point W1, the F reset signal FRST is “1 (high level: VDD)”, the transistors Q1a, Q1b, Q2a, Q2b are turned on, and both ends of the ferroelectric elements CL1a, CL1b, CL2a, CL2b. Since all of them are short-circuited, no voltage is applied to these ferroelectric elements CL1a, CL1b, CL2a, CL2b. The first plate line PL1 and the second plate line PL2 are both “0 (low level: GND)”.
また、時点W1までは、制御信号E1が「0(GND)」とされており、パススイッチSW3とパススイッチSW4がオフされているので、データ書き込み用ドライバ(図4の例ではインバータINV6、INV7)はいずれも無効とされている。 Further, until the time point W1, the control signal E1 is “0 (GND)”, and the pass switch SW3 and the pass switch SW4 are turned off. Therefore, the data write drivers (inverters INV6 and INV7 in the example of FIG. 4) are used. ) Are all invalid.
また、時点W1までは、制御信号E2が「1(VDD)」とされており、マルチプレクサMUX1とマルチプレクサMUX2の第1入力端(1)が選択されているので、揮発性記憶部VMにて通常ループが形成されている。 Further, until the time point W1, the control signal E2 is set to “1 (VDD)” and the multiplexer MUX1 and the first input terminal (1) of the multiplexer MUX2 are selected. A loop is formed.
従って、クロック信号CLKのハイレベル期間には、パススイッチSW1がオンされ、パススイッチSW2がオフされるので、データ信号Dが出力信号Qとしてそのまま通過される形となる。一方、クロック信号CLKのローレベル期間には、パススイッチSW1がオフされ、パススイッチSW2がオンされるので、クロック信号CLKの立下がりエッジで、データ信号Dがラッチされる形となる。 Therefore, during the high level period of the clock signal CLK, the pass switch SW1 is turned on and the pass switch SW2 is turned off, so that the data signal D is directly passed as the output signal Q. On the other hand, since the pass switch SW1 is turned off and the pass switch SW2 is turned on during the low level period of the clock signal CLK, the data signal D is latched at the falling edge of the clock signal CLK.
なお、図6は、上記した通常動作時の信号経路(図中では太線として描写)を示す回路図である。 FIG. 6 is a circuit diagram showing a signal path (depicted as a thick line in the drawing) during the normal operation described above.
次に、強誘電体素子へのデータ書き込み動作について説明する。 Next, a data write operation to the ferroelectric element will be described.
時点W1〜W3では、クロック信号CLKが「0(GND)」とされて、反転クロック信号CLKBが「1(VDD)」とされる。従って、第1パススイッチSW1がオフされて、第2パススイッチがオンされる。このように、クロック信号CLK及び反転クロック信号CLKBの論理を予め固定しておくことにより、強誘電体素子に対するデータ書き込み動作の安定性を高めることが可能となる。 At time points W1 to W3, the clock signal CLK is set to “0 (GND)”, and the inverted clock signal CLKB is set to “1 (VDD)”. Accordingly, the first path switch SW1 is turned off and the second path switch is turned on. As described above, by fixing the logic of the clock signal CLK and the inverted clock signal CLKB in advance, it is possible to improve the stability of the data write operation with respect to the ferroelectric element.
また、時点W1〜W3では、Fリセット信号FRSTが「0(GND)」とされ、トランジスタQ1a、Q1b、Q2a、Q2bがオフされて、強誘電体素子CL1a、CL1b、CL2a、CL2bに対する電圧印加が可能な状態とされる。 At time points W1 to W3, the F reset signal FRST is set to “0 (GND)”, the transistors Q1a, Q1b, Q2a, and Q2b are turned off, and voltage application to the ferroelectric elements CL1a, CL1b, CL2a, and CL2b is performed. Possible state.
また、時点W1〜W3では、制御信号E1が「1(VDD)」とされ、パススイッチSW3とパススイッチSW4がオンされる。従って、データ書き込み用ドライバ(図4の例ではインバータINV6、INV7)がいずれも有効とされる。 Further, at time points W1 to W3, the control signal E1 is set to “1 (VDD)”, and the path switch SW3 and the path switch SW4 are turned on. Accordingly, the data write drivers (inverters INV6 and INV7 in the example of FIG. 4) are all valid.
なお、時点W1〜W3では、それまでと同様、制御信号E2が「1(VDD)」とされており、マルチプレクサMUX1とマルチプレクサMUX2の第1入力端(1)が選択されているので、揮発性記憶部VMにて通常ループが形成されている。 Note that at the time points W1 to W3, the control signal E2 is set to “1 (VDD)”, and the multiplexer MUX1 and the first input terminal (1) of the multiplexer MUX2 are selected. A normal loop is formed in the storage unit VM.
また、時点W1〜W2では、第1プレートラインPL1と第2プレートラインPL2が「0(GND)」とされ、時点W2〜W3では、第1プレートラインPL1と第2プレートラインPL2が「1(VDD)」とされる。すなわち、第1プレートラインPL1と第2プレートラインPL2に対して、同一のパルス電圧が印加される。このようなパルス電圧の印加により、強誘電体素子内部の残留分極状態が反転状態/非反転状態のいずれかに設定される。 Further, at the time points W1 to W2, the first plate line PL1 and the second plate line PL2 are set to “0 (GND)”, and at the time points W2 to W3, the first plate line PL1 and the second plate line PL2 are set to “1 ( VDD) ". That is, the same pulse voltage is applied to the first plate line PL1 and the second plate line PL2. By applying such a pulse voltage, the remanent polarization state inside the ferroelectric element is set to either the inversion state or the non-inversion state.
図5に即して具体的に述べると、時点W1では、出力信号Qが「1(VDD)」であるため、ノード電圧V1が「0(GND)」となり、ノード電圧V2が「1(VDD)」となる。従って、時点W1〜W2において、第1プレートラインPL1と第2プレートラインPL2が「0(GND)」とされている間、強誘電体素子CL1a、CL1bの両端間には電圧が印加されない状態となり、強誘電体素子CL2aの両端間には負極性の電圧が印加される状態となり、強誘電体素子CL2bの両端間には正極性の電圧が印加される状態となる。一方、時点W2〜W3において、第1プレートラインPL1と第2プレートラインPL2が「1(VDD)」とされている間、強誘電体素子CL2a、CL2bの両端間には電圧が印加されない状態となり、強誘電体素子CL1aの両端間には正極性の電圧が印加される状態となり、強誘電体素子CL1bの両端間には負極性の電圧が印加される状態となる。 Specifically, referring to FIG. 5, at the time point W1, since the output signal Q is “1 (VDD)”, the node voltage V1 becomes “0 (GND)” and the node voltage V2 becomes “1 (VDD). ) ”. Therefore, at time points W1 to W2, while the first plate line PL1 and the second plate line PL2 are set to “0 (GND)”, no voltage is applied across the ferroelectric elements CL1a and CL1b. Thus, a negative voltage is applied between both ends of the ferroelectric element CL2a, and a positive voltage is applied between both ends of the ferroelectric element CL2b. On the other hand, at time points W2 to W3, no voltage is applied across the ferroelectric elements CL2a and CL2b while the first plate line PL1 and the second plate line PL2 are set to “1 (VDD)”. Thus, a positive voltage is applied across the ferroelectric element CL1a, and a negative voltage is applied across the ferroelectric element CL1b.
このように、第1プレートラインPL1と第2プレートラインPL2に対して、パルス電圧を印加することにより、強誘電体素子内部の残留分極状態が反転状態/非反転状態のいずれかに設定される。なお、強誘電体素子CL1aとCL1bとの間、及び、強誘電体素子CL2aとCL2bとの間では、互いの残留分極状態が逆になる。また、強誘電体素子CL1aとCL2aとの間、及び、強誘電体素子CL1bとCL2bとの間でも、互いの残留分極状態が逆になる。 As described above, by applying the pulse voltage to the first plate line PL1 and the second plate line PL2, the remanent polarization state inside the ferroelectric element is set to either the inversion state or the non-inversion state. . Note that the remanent polarization state is reversed between the ferroelectric elements CL1a and CL1b and between the ferroelectric elements CL2a and CL2b. Further, the remanent polarization state is also reversed between the ferroelectric elements CL1a and CL2a and between the ferroelectric elements CL1b and CL2b.
時点W3では、Fリセット信号FRSTが再び「1(VDD)」とされることにより、トランジスタQ1a、Q1b、Q2a、Q2bがオンされ、強誘電体素子CL1a、CL1b、CL2a、CL2bの各両端間がいずれも短絡されるので、これらの強誘電体素子CL1a、CL1b、CL2a、CL2bには一切電圧が印加されない状態となる。このとき、第1プレートラインPL1と第2プレートラインPL2は、いずれも、「0(GND)」とされる。 At the time point W3, the F reset signal FRST is set to “1 (VDD)” again, so that the transistors Q1a, Q1b, Q2a, and Q2b are turned on, and between both ends of the ferroelectric elements CL1a, CL1b, CL2a, and CL2b. Since both are short-circuited, no voltage is applied to these ferroelectric elements CL1a, CL1b, CL2a, CL2b. At this time, both the first plate line PL1 and the second plate line PL2 are set to “0 (GND)”.
また、時点W3では、制御信号E1が再び「0(GND)」とされ、パススイッチSW3とパススイッチSW4がオフされるので、データ書き込み用ドライバ(図4の例ではインバータINV6、INV7)がいずれも無効とされる。なお、制御信号E2については不問であるが、図5の例では「0(GND)」とされている。 At time point W3, the control signal E1 is again set to “0 (GND)”, and the pass switch SW3 and the pass switch SW4 are turned off, so that the data write driver (inverters INV6 and INV7 in the example of FIG. 4) Is also invalidated. Note that the control signal E2 is not questioned, but is “0 (GND)” in the example of FIG.
そして、時点W4では、電源電圧VDDの供給が遮断される。このとき、Fリセット信号FRSTは、時点W3から「1(VDD)」に維持されており、トランジスタQ1a、Q1b、Q2a、Q2bがオンされて強誘電体素子CL1a、CL1b、CL2a、CL2bの各両端間がいずれも短絡されている。従って、強誘電体素子CL1a、CL1b、CL2a、CL2bに一切電圧が印加されない状態となっているので、電源遮断時に電圧変動が生じた場合であっても、強誘電体素子CL1a、CL1b、CL2a、CL2bに意図しない電圧が印加されることはなく、データ化けを回避することが可能となる。 At time W4, the supply of the power supply voltage VDD is interrupted. At this time, the F reset signal FRST is maintained at “1 (VDD)” from the time point W3, and the transistors Q1a, Q1b, Q2a, Q2b are turned on, and both ends of the ferroelectric elements CL1a, CL1b, CL2a, CL2b. Both are short-circuited. Therefore, since no voltage is applied to the ferroelectric elements CL1a, CL1b, CL2a, and CL2b, even if a voltage fluctuation occurs when the power is shut off, the ferroelectric elements CL1a, CL1b, CL2a, An unintended voltage is not applied to CL2b, and garbled data can be avoided.
なお、図7は、上記したデータ書き込み動作時(特に時点W1〜W3)の信号経路(図中では太線として描写)を示す回路図である。 FIG. 7 is a circuit diagram showing a signal path (depicted as a thick line in the drawing) during the above-described data write operation (particularly, time points W1 to W3).
次に、強誘電体素子からのデータ読み出し動作について説明する。 Next, a data read operation from the ferroelectric element will be described.
時点R1〜R5では、クロック信号CLKが「0(GND)」とされており、反転クロック信号CLKBが「1(VDD)」とされている。従って、第1パススイッチSW1がオフされており、第2パススイッチがオンされている。このように、クロック信号CLK及び反転クロック信号CLKBの論理を予め固定しておくことにより、強誘電体素子からのデータ読み出し動作の安定性を高めることが可能となる。 At time points R1 to R5, the clock signal CLK is set to “0 (GND)”, and the inverted clock signal CLKB is set to “1 (VDD)”. Accordingly, the first path switch SW1 is turned off and the second path switch is turned on. As described above, by fixing the logic of the clock signal CLK and the inverted clock signal CLKB in advance, it is possible to improve the stability of the data reading operation from the ferroelectric element.
時点R1では、最先にFリセット信号FRSTが「1(VDD)」とされており、トランジスタQ1a、Q1b、Q2a、Q2bがオンされて、強誘電体素子CL1a、CL1b、CL2a、CL2bの各両端間がいずれも短絡されている。従って、強誘電体素子CL1a、CL1b、CL2a、CL2bには一切電圧が印加されない状態となっているので、電源投入時に電圧変動が生じた場合でも、強誘電体素子CL1a、CL1b、CL2a、CL2bに意図しない電圧が印加されることはなく、データ化けを回避することが可能となる。 At the time point R1, the F reset signal FRST is first set to “1 (VDD)”, the transistors Q1a, Q1b, Q2a, Q2b are turned on, and both ends of the ferroelectric elements CL1a, CL1b, CL2a, CL2b. Both are short-circuited. Accordingly, since no voltage is applied to the ferroelectric elements CL1a, CL1b, CL2a, and CL2b, even if voltage fluctuation occurs when the power is turned on, the ferroelectric elements CL1a, CL1b, CL2a, and CL2b An unintended voltage is not applied, and garbled data can be avoided.
なお、時点R1において、第1プレートラインPL1と第2プレートラインPL2は、いずれも「0(GND)」とされている。 At time R1, both the first plate line PL1 and the second plate line PL2 are set to “0 (GND)”.
時点R2では、制御信号E1、E2がいずれも「0(GND)」とされた状態(すなわち、データ書き込み用ドライバが無効とされており、かつ、揮発性記憶部VMで通常ループが無効とされている状態)で、電源電圧VDDが投入される。このとき、図8中の太線で描写された信号ラインは、フローティングとなっている。 At the time point R2, the control signals E1 and E2 are both set to “0 (GND)” (that is, the data write driver is invalidated, and the normal loop is invalidated in the volatile memory unit VM). Power supply voltage VDD is turned on. At this time, the signal line depicted by the thick line in FIG. 8 is floating.
続く時点R3では、Fリセット信号FRSTが「0(GND)」とされ、トランジスタQ1a、Q1b、Q2a、Q2bがオフされ、強誘電体素子CL1a、CL1b、CL2a、CL2bに対する電圧印加が可能な状態とされる一方、第2プレートラインPL2が「0(GND)」に維持されたまま、第1プレートラインPL1が「1(VDD)」とされる。このようなパルス電圧の印加により、ノード電圧V1及びノード電圧V2として、強誘電体素子内の残留分極状態に対応した電圧信号が現れる。 At the subsequent time point R3, the F reset signal FRST is set to “0 (GND)”, the transistors Q1a, Q1b, Q2a, and Q2b are turned off, and a voltage can be applied to the ferroelectric elements CL1a, CL1b, CL2a, and CL2b. On the other hand, the first plate line PL1 is set to “1 (VDD)” while the second plate line PL2 is maintained at “0 (GND)”. By applying such a pulse voltage, voltage signals corresponding to the remanent polarization state in the ferroelectric element appear as the node voltage V1 and the node voltage V2.
図5の例に即して具体的に説明すると、ノード電圧V1としては、比較的低い電圧信号(以下、その論理をWL[Weak Low]と呼ぶ)が現れ、ノード電圧V2としては、比較的高い電圧信号(以下、その論理をWH[Weak Hi]と呼ぶ)が現れる。すなわち、ノード電圧V1とノード電圧V2との間には、強誘電体素子内の残留分極状態の差に応じた電圧差が生じる形となる。 Specifically, referring to the example of FIG. 5, a relatively low voltage signal (hereinafter, the logic is referred to as WL [Weak Low]) appears as the node voltage V1, and the node voltage V2 is relatively low. A high voltage signal (hereinafter, its logic is called WH [Weak Hi]) appears. That is, a voltage difference is generated between the node voltage V1 and the node voltage V2 according to the difference in the remanent polarization state in the ferroelectric element.
このとき、時点R3〜R4では、制御信号E2が「0(GND)」とされて、マルチプレクサMUX1とマルチプレクサMUX2の第2入力端(0)が選択されるので、ノード電圧V3の論理はWLとなり、ノード電圧V4の論理はWHとなる。また、ノード電圧V5の論理はWHとなり、ノード電圧V6の論理はWLとなる。このように、時点R3〜R4では、装置各部のノード電圧V1〜V6が未だに不安定な状態(インバータINV3及びインバータINV4での論理反転が完全に行われず、その出力論理が確実に「0(GND)」/「1(VDD)」となっていない状態)である。 At this time, at time points R3 to R4, the control signal E2 is set to “0 (GND)”, and the multiplexer MUX1 and the second input terminal (0) of the multiplexer MUX2 are selected, so that the logic of the node voltage V3 becomes WL. The logic of the node voltage V4 is WH. The logic of the node voltage V5 is WH, and the logic of the node voltage V6 is WL. As described above, at the time points R3 to R4, the node voltages V1 to V6 of each part of the device are still in an unstable state (the logic inversion in the inverter INV3 and the inverter INV4 is not completely performed, and the output logic is surely “0 (GND ) ”/“ 1 (VDD) ”.
時点R4では、制御信号E2が「1(VDD)」とされて、マルチプレクサMUX1とマルチプレクサMUX2の第1入力端(1)が選択されるので、揮発性記憶部VMにて通常ループが形成されている。このような信号経路の切り換えに伴い、インバータINV4の出力端(論理:WH)とインバータINV3の入力端(論理:WH)が接続され、インバータINV3の出力端(論理:WL)とインバータINV4の入力端(論理:WL)が接続される。従って、各ノードの信号論理(WH/WL)に不整合は生じず、以降、揮発性記憶部VMにて通常ループが形成されている間、インバータINV3は、論理WLの入力を受けて、その出力論理を「1(VDD)」に引き上げようとし、インバータINV4は、論理WHの入力を受けて、その出力論理を「0(GND)」に引き下げようとする。その結果、インバータINV3の出力論理は、不安定な論理WLから「0(GND)」に確定され、インバータINV4の出力論理は、不安定な論理WHから「1(VDD)」に確定される。 At the time point R4, the control signal E2 is set to “1 (VDD)”, and the multiplexer MUX1 and the first input terminal (1) of the multiplexer MUX2 are selected. Therefore, a normal loop is formed in the volatile memory unit VM. Yes. With such switching of the signal path, the output terminal (logic: WH) of the inverter INV4 and the input terminal (logic: WH) of the inverter INV3 are connected, and the output terminal (logic: WL) of the inverter INV3 and the input of the inverter INV4 The end (logic: WL) is connected. Accordingly, no mismatch occurs in the signal logic (WH / WL) of each node, and thereafter, while the normal loop is formed in the volatile memory unit VM, the inverter INV3 receives the input of the logic WL, The inverter INV4 tries to raise the output logic to “1 (VDD)”, and the inverter INV4 tries to lower the output logic to “0 (GND)” in response to the input of the logic WH. As a result, the output logic of the inverter INV3 is determined from the unstable logic WL to “0 (GND)”, and the output logic of the inverter INV4 is determined from the unstable logic WH to “1 (VDD)”.
このように、時点R4において、揮発性記憶部VMが通常ループとされたことに伴い、強誘電体素子から読み出された信号(ノード電圧V1とノード電圧V2との電位差)が揮発性記憶部VMで増幅される形となり、出力信号Qとして電源遮断前の保持データ(図5の例では「1(VDD)」)が復帰される。 As described above, at the time point R4, the signal (potential difference between the node voltage V1 and the node voltage V2) read from the ferroelectric element in accordance with the volatile memory unit VM being in the normal loop is the volatile memory unit. The data is amplified by the VM, and the retained data (“1 (VDD)” in the example of FIG. 5) before the power interruption is restored as the output signal Q.
その後、時点R5では、Fリセット信号FRSTが再び「1(VDD)」とされ、トランジスタQ1a、Q1b、Q2a、Q2bがオンされて、強誘電体素子CL1a、CL1b、CL2a、CL2bの各両端間がいずれも短絡されるので、これらの強誘電体素子CL1a、CL1b、CL2a、CL2bには一切電圧が印加されない状態となる。このとき、第1プレートラインPL1と第2プレートラインPL2はいずれも「0(GND)」とされる。従って、不揮発ロジックは、時点W1以前と同様の状態、すなわち、通常の動作状態に復帰される。 Thereafter, at the time point R5, the F reset signal FRST is again set to “1 (VDD)”, the transistors Q1a, Q1b, Q2a, and Q2b are turned on, and both ends of the ferroelectric elements CL1a, CL1b, CL2a, and CL2b are connected. Since both are short-circuited, no voltage is applied to these ferroelectric elements CL1a, CL1b, CL2a, CL2b. At this time, both the first plate line PL1 and the second plate line PL2 are set to “0 (GND)”. Therefore, the non-volatile logic is returned to the same state as before the time point W1, that is, the normal operation state.
なお、図8は、上記したデータ読み出し動作時(特に時点R3〜R4)の信号経路(図中では太線として描写)を示す回路図である。 FIG. 8 is a circuit diagram showing a signal path (depicted as a thick line in the drawing) during the above-described data reading operation (particularly, at time points R3 to R4).
上記で説明したように、本構成例の不揮発ロジックは、ループ状に接続された論理ゲート(図4ではインバータINV3、INV4)を用いてデータを揮発的に保持する揮発性記憶部VMと、強誘電体素子のヒステリシス特性を用いて揮発性記憶部VMに保持されたデータを不揮発的に記憶する不揮発性記憶部NVM(CL1a、CL1b、CL2a、CL2b、Q1a、Q1b、Q2a、Q2b)と、揮発性記憶部VMと不揮発性記憶部NVMとを電気的に分離する回路分離部SEP(MUX1、MUX2、INV6、INV7、SW3、SW4)と、を有して成り、回路分離部SEPは、不揮発ロジックの通常動作中には、強誘電体素子に対する印加電圧を一定に保ちつつ、揮発性記憶部VMを電気的に動作させる構成とされている。 As described above, the nonvolatile logic of this configuration example includes the volatile storage unit VM that holds data in a volatile manner using logic gates connected in a loop (inverters INV3 and INV4 in FIG. 4), and a strong memory. A nonvolatile storage unit NVM (CL1a, CL1b, CL2a, CL2b, Q1a, Q1b, Q2a, Q2b) that stores data held in the volatile storage unit VM in a nonvolatile manner using the hysteresis characteristics of the dielectric element, and a volatile Circuit separation unit SEP (MUX1, MUX2, INV6, INV7, SW3, SW4) for electrically separating the volatile memory unit VM and the non-volatile memory unit NVM. During the normal operation, the volatile memory unit VM is electrically operated while keeping the voltage applied to the ferroelectric element constant.
このように、揮発性記憶部VMの信号線から強誘電体素子CL1a、CL1b、CL2a、CL2bを直接駆動するのではなく、揮発性記憶部VMの信号線と強誘電体素子CL1a、CL1b、CL2a、CL2bとの間に、バッファとしても機能するデータ書き込み用ドライバ(図4ではインバータINV6、INV7)を設けることにより、強誘電体素子CL1a、CL1b、CL2a、CL2bが揮発性記憶部VM内の負荷容量とならないようにすることが可能となる。 As described above, the ferroelectric elements CL1a, CL1b, CL2a, and CL2b are not directly driven from the signal line of the volatile memory unit VM, but the signal lines and the ferroelectric elements CL1a, CL1b, and CL2a of the volatile memory unit VM. , CL2b are provided with data write drivers (inverters INV6, INV7 in FIG. 4) that also function as buffers, so that the ferroelectric elements CL1a, CL1b, CL2a, CL2b are loaded in the volatile memory unit VM. It becomes possible not to become capacity.
また、データ書き込み用ドライバ(インバータINV6、INV7)の出力端にパススイッチSW3、SW4を接続し、制御信号E1に応じて、データの書き込み時にのみ、パススイッチSW3、SW4をオンさせる構成であれば、通常動作時には、強誘電体素子CL1a、CL1b、CL2a、CL2bが駆動されないようにすることが可能となる。 Further, if the path switches SW3 and SW4 are connected to the output terminals of the data write drivers (inverters INV6 and INV7), and the path switches SW3 and SW4 are turned on only when data is written according to the control signal E1, During normal operation, the ferroelectric elements CL1a, CL1b, CL2a, and CL2b can be prevented from being driven.
また、データ読み出しの際には、制御信号E2に応じて、マルチプレクサMUX1、MUX2の入出力経路を切り換えることにより、揮発性記憶部VM内の論理ゲート(図4ではインバータINV3、INV4)と強誘電体素子CL1a、CL1b、CL2a、CL2bとの導通/遮断を制御することができる。従って、特定ノードをフローティングとするために、負荷の大きいクロック線を増設する必要がないため、消費電力の増大を回避することが可能となる。 When data is read, the input / output paths of the multiplexers MUX1 and MUX2 are switched according to the control signal E2, so that the logic gates (inverters INV3 and INV4 in FIG. 4) and the ferroelectrics in the volatile memory unit VM are switched. It is possible to control conduction / cutoff with the body elements CL1a, CL1b, CL2a, CL2b. Therefore, it is not necessary to add a large load clock line in order to place the specific node in a floating state, so that it is possible to avoid an increase in power consumption.
このように、本構成例の不揮発ロジックであれば、通常動作中には強誘電体素子が無駄に駆動されることがないので、揮発性の不揮発ロジックと同レベルの高速化、並びに、低消費電力化を図ることが可能となる。 In this way, with the nonvolatile logic of this configuration example, the ferroelectric element is not driven wastefully during normal operation. Therefore, the speed is increased to the same level as the volatile nonvolatile logic, and the consumption is reduced. Electricity can be achieved.
すなわち、揮発性の不揮発ロジックと同等の取り扱いを行うことができるので、タイミング設計や消費電力設計などの再設計を行わずに、既存回路の記憶素子部分を本構成例の不揮発ロジックに置き換えることが可能となる。従って、既存回路を容易に不揮発化することができるので、例えば、待機時にデータを消さずに電源を遮断したり、電源投入後、即時に動作再開が可能な連続アクセス制限部12を実現することが可能となる。
In other words, since it can be handled in the same way as volatile non-volatile logic, the memory element portion of the existing circuit can be replaced with the non-volatile logic of this configuration example without performing redesign such as timing design and power consumption design. It becomes possible. Therefore, since the existing circuit can be easily made non-volatile, for example, the continuous
<その他の変形例>
なお、上記の実施形態では、メインメモリ11としてFeRAMを用いた構成を例に挙げて説明を行ったが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、FeRAMに代えて、EEPROMやフラッシュメモリなどを用いても構わない。
<Other variations>
In the above embodiment, the configuration using the FeRAM as the
このように、本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。例えば各種信号の論理レベル反転は任意である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。 As described above, various technical features disclosed in the present specification can be variously modified within the scope of the technical creation in addition to the above-described embodiment. For example, the logic level inversion of various signals is arbitrary. That is, the above-described embodiment is an example in all respects and should not be considered as limiting, and the technical scope of the present invention is not the description of the above-described embodiment, but the claims. It should be understood that all modifications that come within the meaning and range of equivalents of the claims are included.
本発明は、例えば、CPUのワークメモリとしてFeRAMを用いるための技術として利用することが可能である。 The present invention can be used, for example, as a technique for using FeRAM as a work memory of a CPU.
10 半導体記憶装置
11 メインメモリ(強誘電体メモリ)
12 連続アクセス制限部(第1キャッシュメモリ)
13 第2キャッシュメモリ
20 シーケンサ(CPU)
INV1〜INV7 インバータ
SW1〜SW4 パススイッチ
MUX1、MUX2 マルチプレクサ
Q1a、Q1b、Q2a、Q2b Nチャネル型電界効果トランジスタ
CL1a、CL1b、CL2a、CL2b 強誘電体素子
VM 揮発性記憶部
NVM 不揮発性記憶部
SEP 回路分離部
10
12 Continuous access restriction unit (first cache memory)
13
INV1 to INV7 Inverter SW1 to SW4 Path switch MUX1, MUX2 Multiplexer Q1a, Q1b, Q2a, Q2b N-channel field effect transistors CL1a, CL1b, CL2a, CL2b Ferroelectric element VM Volatile memory unit NVM Nonvolatile memory unit SEP Circuit isolation Part
Claims (11)
前記メインメモリの同一ワードに対して連続的なアクセスが生じないように前記メインメモリに代えてデータの入出力を行う連続アクセス制限部と、
を有することを特徴とする半導体記憶装置。 Main memory with a limited number of accesses,
A continuous access restriction unit that inputs and outputs data instead of the main memory so that continuous access to the same word in the main memory does not occur;
A semiconductor memory device comprising:
ループ状に接続された複数の論理ゲートを用いてデータを揮発的に保持する揮発性記憶部と、
強誘電体素子のヒステリシス特性を用いて前記揮発性記憶部で揮発的に保持されたデータを不揮発的に記憶する不揮発性記憶部と、
前記揮発性記憶部と前記不揮発性記憶部とを電気的に分離する回路分離部と、
を含むことを特徴とする請求項6に記載の半導体記憶装置。 The non-volatile logic is
A volatile storage unit that volatilely stores data using a plurality of logic gates connected in a loop; and
A nonvolatile memory unit that nonvolatilely stores data volatilely stored in the volatile memory unit using the hysteresis characteristics of the ferroelectric element;
A circuit separation unit for electrically separating the volatile storage unit and the nonvolatile storage unit;
The semiconductor memory device according to claim 6, comprising:
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPH10112191A (en) * | 1996-10-04 | 1998-04-28 | Hitachi Ltd | Semiconductor device |
| JP2008047238A (en) * | 2006-08-18 | 2008-02-28 | Fujitsu Ltd | Nonvolatile semiconductor memory |
| JP2010124290A (en) * | 2008-11-20 | 2010-06-03 | Rohm Co Ltd | Data holding device |
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2011
- 2011-12-07 JP JP2011267915A patent/JP2013120480A/en active Pending
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