面向IOT的低漏电堆叠SRAM设计文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

降低SRAM的漏电一直是国内外的研究热点，在这种趋势的推动下，国内外很多论文提出了不同的低漏电SRAM设计方案，主要包括工作电压调节、降低睡眠模式下的电压、改变阈值电压、采用新型工艺等。

1. 工作电压调节

调节工作电压能够同时影响动态功耗和静态功耗。在低漏电SRAM设计中，电压调节方法有许多，常用的有以下几种。

1. 通过Gated-Vdd技术^[1]来关闭供电的电源，降低芯片的泄漏功耗。

Gated-Vdd技术通过关闭不工作SRAM模块的电源来减小漏电，但是需要注意的是，关闭的SRAM模块将无法保持数据，内部节点处的电压在供电电源关闭的时候会以漏电的形式被破坏，从而造成数据的丢失。有多模式Power Gatting技术、背栅控制Power Gatting技术和选择性Power Gatting技术等^[2][3]。

（2）通过降低工作电压，甚至使晶体管工作在亚阈值区域来降低功耗。

直接通过一些电压转换器，比如DC/DC转换器，来降低SRAM工作电压，这种方案效率很低，能量损失较大。进而提出使用DC / DC转换器进行电压堆叠^{[4][5][6][7][8]}，从而实现工作电压的降低，它通过串联的方式垂直叠加电压域，并且在堆叠层循环电荷，来向芯片提供高电压，降低总体芯片电流需求。对于相同的芯片功率，n路堆叠系统将芯片的电流消耗按n成比例减少，从而IR-drop按n成比例减少，功耗按成比例减少，并减轻了在相同电压噪声裕度下对片外阻抗的要求，但是会因转换器面积和静态功耗而产生开销损失，并且转换效率难以保证。

图1 使用SC IVR的电压堆叠系统的框图

晶体管的亚阈值导电电流远小于饱和电流，因此使电路工作在亚阈值区域可以节省很大的功耗。然而，降低工作电压必定会引起SRAM的读写性能的下降以及读写可靠性问题。Naveen Verma^[9]通过将工作电压降低到350mV来使SRAM工作在亚阈值区域，使用8管SRAM单元来解决SRAM的读写可靠性问题，最终256kb SRAM在最低电压下只消耗2.2mu;W泄漏功耗。这种方案虽然降低了SRAM泄漏功耗，但是低电压操作必然导致SRAM的性能损失。另外，使用8管SRAM单元会带来额外的面积开销。

1. 睡眠模式的电压调节

睡眠模式电压（Standby VDD）是指SRAM在保持数据时的直接供电电压。它与电源电压不同，当SRAM处于读写模式时，SRAM以电源电压VDD进行工作；当SRAM进入睡眠模式而需保持数据时，SRAM单元的实际工作电压是Standby VDD。

在以泄漏电流为主要指标的低漏电SRAM设计中，大多数都是通过降低Standby VDD来降低SRAM的漏电。Standby VDD的降低通常通过调节电路实现，调节电路主要包括被动调节和主动调节两种方式。