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7/27/2019 A Low Power 900 Mhz Register File

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A L O W P O W E R 9 0 0 M H z R E G I S T E R F I L E 8 P O R T S ,

3 2 w o r d s x 6 4 b i t s I N 1 . 8 V , 0 . 2 5 m S O I T E C H N O L O G Y

R . V . J o s h i , W . H w a n g , S . W i l s o n , G . S h a h i d i , a n d C . T . C h u a n g

A b s t r a c t | T h i s p a p e r s h o w s f u l l f u n c t i o n a l i t y o f a l o w

p o w e r 9 0 0 M H z d y n a m i c r e g i s t e r l e 6 R e a d a n d 2 W r i t e

p o r t s , 3 2 w o r d l i n e s x 6 4 b i t l i n e s . S u c h a r e g i s t e r l e i s

d e s i g n e d f o r b u l k s i l i c o n t e c h n o l o g y b u t i s f a b r i c a t e d i n

0 . 2 5 m S i l i c o n o n I n s u l a t o r S O I t e c h n o l o g y w i t h o u t a n y

b o d y c o n t a c t s . T h i s p a p e r a l s o p r o p o s e s a n e w m e t h o d

t o e x t r a c t t h e p e r f o r m a n c e g a i n w h i c h i s l i m i t e d b y t h e

t e s t e r s p e e d o f a r e g i s t e r l e i n b u l k a n d S O I t e c h n o l o g y

b a s e d o n i n t e r n a l p i c o p r o b e m e a s u r e m e n t s a l o n g t h e c r i t -

i c a l p a t h . B a s e d o n t h e h a r d w a r e a n d s i m u l a t i o n d a t a t h e

r e g i s t e r l e i s c a p a b l e o f f u n c t i o n i n g a t 9 0 0 M H z f o r r e a d

a n d w r i t e o p e r a t i o n s i n a s i n g l e c y c l e . T h e r e g i s t e r l e c a n

e v e n f u n c t i o n a b o v e 1 G H z f o r r e a d o p e r a t i o n . A p o w e r

r e d u c t i o n o f 8 - 1 2 i s r e a l i z e d f o r S O I o v e r b u l k t e c h n o l o g y

e s p e c i a l l y a t h i g h e r f r e q u e n c i e s .

I . I N T R O D U C T I O N

M u l t i - p o r t r e g i s t e r l e s p l a y a s i g n i c a n t r o l e f o r p a r -

a l l e l p r o c e s s i n g o f i n s t r u c t i o n s i n h i g h s p e e d m i c r o p r o -

c e s s o r s o r d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r s D S P . T h e s e l i c a t i o n s

r e q u i r e l o w p o w e r , h i g h p e r f o r m a n c e a n d l o w c o s t .

I n o u r r e c e n t p u b l i c a t i o n s w e h a v e p r e s e n t e d a r c h i t e c -

t u r e a n d p e r f o r m a n c e o f m u l t i - p o r t s e l f r e s e t t i n g C M O S

S R C M O S r e g i s t e r l e u s i n g " d u a l r a i l " i n p u t s i g n a l s

1 , 2 . I t h a s b e e n p o i n t e d o u t t h a t t h e r a c e c o n d i t i o n s i n

s e l f r e s e t t i n g C M O S c i r c u i t s c a n c a u s e " p u l s e c o l l i s i o n s "

a n d m a y r e s u l t i n " n o n - f u n c t i o n a l i t y " a n d h i g h p o w e r

c o n s u m p t i o n . T h i s p a r t i c u l a r p r o b l e m g e t s w o r s e w h e n

" e x t e r n a l d u a l - r a i l " s i g n a l s a r e u s e d . T h i s e v e n a g g r a -

v a t e s w h e n S O I t e c h n o l o g y i s u s e d . I n t h i s p a p e r w e h a v e

m o d i e d t h e r e g i s t e r l e b y p r o v i d i n g a l l t h e e x t e r n a l r e a d

p o r t a d d r e s s e s w i t h t h e " s i n g l e r a i l " s i g n a l s i n t e r l o c k e d

w i t h a g l o b a l " r e a d p o i n t e r " . S i n c e t h e " c y c l e t i m e " m e a -

s u r e m e n t i s l i m i t e d d u e t o t e s t e r l i m i t w e h a v e p r o p o s e d

a m e t h o d b a s e d o n " i n t e r n a l p i c o - p r o b i n g " t o e v a l u a t e

c y c l e t i m e o f t h i s " s i n g l e r a i l i n p u t " r e g i s t e r l e . A l s o

w e h a v e e v a l u a t e d p e r f o r m a n c e g a i n d u e t o j u n c t i o n c a -

p a c i t a n c e r e d u c t i o n a n d d y n a m i c t h r e s h o l d v o l t a g e s w h e n

b u l k d e s i g n i s m e d i n t o S O I t e c h n o l o g y . W e h a v e d e m o n -

s t r a t e d t h a t u s i n g S O I t h e p o w e r c o n s u m p t i o n i s r e d u c e d

b y 1 0 - 1 2 c o m p a r e d t o b u l k t e c h n o l o g y .

I I . C I R C U I T S

A p r e l i m i n a r y a r c h i t e c t u r e o f t h e " d u a l r a i l " i n p u t r e g -

i s t e r l e i s d e s c r i b e d i n a r e c e n t p u b l i c a t i o n s 1 . H e r e w e

w i l l c o n c e n t r a t e m a i n l y o n t h e m o d i c a t i o n o f t h e a b o v e

a r c h i t e c t u r e t o m a k e t h e r e g i s t e r l e e v e n r o b u s t u s i n g

R . V . J o s h i , W . H w a n g , a n d C . T . C h u a n g a r e w i t h t h e I B M R e s e a r c h

D i v i s i o n , T . J . W a t s o n R e s e a r c h C e n t e r , Y o r k t o w n H e i g h t s , N Y 1 0 5 9 8 .

S . W i l s o n , a n d * G . S h a h i d i a r e w i t h t h e I B M S e m i c o n d u c t o r R e s e a r c h

a n d D e v e l o p m e n t C e n t e r , H o p e w e l l J u n c t i o n , N Y 1 2 5 3 3 .

s i n g l e r a i l i n p u t s . A l s o w e w i l l d e s c r i b e i t s h a r d w a r e p e r -

f o r m a n c e i n S O I t e c h n o l o g y u s i n g 0 . 1 5 m L e .

F i g u r e 1 s h o w s t h e f o r w a r d r e a d p a t h f o r a r e a d p o r t .

T h e r e a r e t o t a l 5 " s i n g l e r a i l " r e a d a d d r e s s e s w h i c h a r e

i n t e r n a l l y c o n v e r t e d t o " d u a l r a i l " u s i n g a r e a d p o i n t e r

" R S T R A " o r " g l o b a l c l o c k " F i g . 1 a . T h i s " p o i n t e r "

s y n c h r o n i z e s t h e s e s i n g l e r a i l s i g n a l s w h i c h a r e i n " D C "

s t a t e . T h e " p o i n t e r " g e n e r a t e s t h e i n t e r n a l p u l s e s w i t h

r o p r i a t e s t a t e s f o r p r o p e r f u n c t i o n a l i t y i . e " a c t i v e " " l o w "

a n d " s t a n d b y " " h i g h " .

F i g u r e 1 b s h o w s t h e f o r w a r d p a t h o f t h e r e a d p o r t

f o r a 1 b i t c r o s s - s e c t i o n u s i n g t h e d u a l r a i l s i g n a l s g e n e r -

a t e d i n F i g . 1 a . T o r e a d t h e d a t a f r o m t h e c e l l v a r i o u s

s t a g e s i n r e a d p o r t s u c h a s " d e c o d e r " , " w o r d l i n e d r i v e r " ,

" r e a d m u x " a n d " o u t p u t l a t c h e s " a r e p r o v i d e d . A s i m p l i -

e d m u t l i p l e - c h a i n r e s e t p a t h i s u s e d t o r e s e t t h e n o d e s t o

" s t a n d b y " s t a t e o n c o m p l e t i o n o f e v a l u a t i o n a t t h a t n o d e .

P u l s e w i d e n i n g o f r e s e t s i g n a l s i s m i n i m i z e d b y o p t i m i z -

i n g t h e g a t e d i m e n s i o n s u s e d i n t h e i n v e r t e r s . S i n c e t h e

i n p u t a d d r e s s e s a r e " s y n c h r o n i z e d " w i t h r e s p e c t t o t h e

r e a d p o i n t e r a n d d e l a y e d " L S B " i s u s e d f o r r e s e t g e n e r a -

t i o n w h i c h i s i n t e r l o c k e d w i t h t h e " L S B " i t e s e l f F i g . 2

t h e " p u l s e c o l l i s i o n " i s s i g n i c a n t l y m i n i m i z e d i n e i t h e r

b u l k o r S O I t e c h n o l o g y .

W r i t e p o r t c i r c u i t r y f o r p o r t s A a n d B i s s h o w n i n

F i g . 3 . T h e f o r w a r d p a t h f o r a 1 b i t c r o s s - s e c t i o n s h o w n

i n F i g . 3 a h a s f o l l o w i n g s t a g e s - r e c e i v e r w i t h t h e i n -

p u t o f v e s i n g l e r a i l a d d r e s s e s , g e n e r a t i o n o f " d u a l r a i l

s i g n a l s " , d e c o d i n g o f w r i t e w o r d l i n e s " w i t h t h e p r i o r i t y

t o B p o r t w h e n b o t h t h e w r i t e e n a b l e s W E A I N , W E -

B I N a r e a c t i v e . W r i t e A d d r e s s T i m i n g s i g n a l W A T S

s y n c h r o n i z e s t h e t i m i n g o f w r i t e a d d r e s s e s o f p o r t A a n d

B . T h i s r e d u c e s " p u l s e c o l l i s i o n " c o m m o n l y o b s e r v e d i n

s e l f - r e s e t t i n g c i r c u i t s .

F i g . 3 b s h o w s t h e w r i t e e n a b l e a n d p r i o r i t y s i g n a l

g e n e r a t i o n s . T o e n a b l e w r i t i n g a g l o b a l w r i t e e n a b l e t i m -

i n g s i g n a l W E T S a l o n g w i t h i n d i v i d u a l w r i t e e n a b l e f o r

p o r t A W E A I N a n d W E B I N a r e p r o v i d e d . W E B I N

s i g n a l i s a l s o u s e d t o c r e a t e a s i g n a l W E B I w h i c h e n s u r e s

w r i t e p r i o r i t y t o p o r t B w h e n b o t h W E B I N A N D W E A I N

a r e a c t i v e . W h e n e i t h e r s i g n a l W E B I N , W E A I N i s a c -

t i v e t h e w r i t i n g i s d o n e i n t h e c o r r e s p o n d i n g p o r t s p o r t B

o r A . T h e s i g n a l s W E A , W E B g e n e r a t e d b y t h e t i m i n g

s i g n a l s s u c h a s W E A I N , W E B I N a r e u s e d t o d e c o d e a n d

c r e a t e c o m p l e m e n t a r y w r i t e w o r d l i n e s . T h e s e w o r d l i n e s

a r e u s e d t o t r i g g e r t h e t r a n s m i s s i o n g a t e s t o w r i t e t h e d a t a

i n t o t h e c e l l . T h i s d a t a i s m u x e d w i t h r e a d w o r d l i n e s t o

1


2/6

g e n e r a t e t h e r e a d o u t p u t F i g . 3 c .

T h e r e s e t c h a i n s h o w n i n F i g . 3 d f o r w r i t e p o r t s

i s u s e d t o c h o p o r e n l a r g e i n c o m i n g w r i t e s i g n a l s u s i n g

" C U T " s i g n a l . I n a d d i t i o n i t i s u s e d t o r e s e t t h e e v a l u a t e d

n o d e s o f t h e w r i t e p a t h s s e e F i g . 3 a a n d b f o r

d e c o d e r s N O R , N A N D .

I I I . P R O C E S S T E C H N O L O G Y

T h e t e c h n o l o g y f e a t u r e s a r e s u m m a r i z e d i n T a b l e 1 .

T h e r e g i s t e r l e i s f a b r i c a t e d i n a 0 . 2 5 m t e c h n o l o g y w i t h

L e o f a b o u t 0 . 1 5 m a n d g a t e o x i d e o f 4 0 n m . T h e p a r -

t i a l l y d e p l e t e d S O I d e v i c e s a r e u s e d i n f a b r i c a t i n g t h e

r e g i s t e r l e . T h e o p t i c a l m i c r o g r a p h o f a f u l l f u n c t i o n a l

c h i p o f t h e r e g i s t e r l e w i t h a r e a 1 . 5 m m x 1 . 8 m m i s

s h o w n i n F i g . 4 .

I V . H A R D W A R E A N D S I M U L A T I O N R E S U L T S

F i g . 5 s h o w s t h e t i m i n g d i a g r a m f o r c r i t i c a l s i g n a l s s u c h

a s r e a d a d d r e s s e s R A 0 4 , r e a d p o i n t e r R S T R A a n d

w r i t e a d d r e s s e s W B A 0 4 a n d W r i t e a d d r e s s t i m i n g

W A T S a n d w r i t e e n a b l e W E A , W E B s i g n a l s f o r w r i t e

p o r t s A a n d B . B y c h a n g i n g t h e t i m i n g o f t h e R S T R A

a n d W A T S s i g n a l s t h e t i m i n g s o f r e a d a n d w r i t e w o r d l i n e s

c a n b e c h a n g e d . I f t h e r e a d w o r d l i n e p r e c e e d s t h e w r i t e

w o r d l i n e t h e r e a d b e f o r e w r i t e R B W c a n b e p e r f o r m e d .

I f t h e s e q u e n c e i s r e v e r s e d t h e w r i t e b e f o r e r e a d W B R

c a n b e p e r f o r m e d . B a s e d o n t h i s t i m i n g d i a g r a m a n d d u e

t o t h e l i m i t a t i o n i n t e s t i n g a t h i g h e r f r e q u e n c i e s t h a n 6 6 6

M H z f o l l o w i n g m e t h o d i s a d o p t e d t o e v a l u a t e t h e c y c l e

t i m e .

F o r t h e p r o p e r f u n c t i o n a l i t y o f W B R o p e r a t i o n i n o n e

c y c l e W A T S s i g n a l s h o u l d g e n e r a t e t h e w r i t e w o r d l i n e a n d

t h e n r e a d w o r d l i n e s h o u l d r e a d t h e d a t a w r i t t e n i n t h e

c e l l . T h u s t h e t o t a l d e l a y f r o m W A T S t o t h e r e a d o u t p u t

w o u l d f o r m m i n i m u m c y c l e t i m e . F o r R B W o p e r a t i o n

t h e d a t a w r i t t e n i n p r e v i o u s c y c l e i s r e a d r s t a n d t h e n

w r i t i n g i s d o n e i n t h e s a m e c y c l e . S i n c e t h e w r i t e p o r t

i s s l o w e r c o m p a r e d r e a d p o r t t h e m i n i m u m c y c l e t i m e i n

t h i s c a s e i s d e t e r m i n e d b y t h e s u m o f h o w l a t e t h e w r i t e

w o r d l i n e a r r i v e s i n t h e s a m e c y c l e a n d t h e a c c e s s t i m e

t o r e a d t h e d a t a f r o m t h e r e a d w o r d l i n e t o t h e o u t p u t

F i g . 6 . T h u s t h e m i n i m u m c y c l e t i m e i n R B W = d e l a y

f r o m W A T S t o W r i t e w o r d l i n e + d e l a y f r o m r e a d w o r d l i n e

t o d a t a o u t p u t . F o r t h e R B W o p e r a t i o n t h e t o t a l t i m e

n e e d e d f o r W A T S t o w r i t e w o r d l i n e i s 7 4 0 p s a n d r e a d

w o r d l i n e t o o u t p u t i s 2 7 0 p s . T h e m i n i m u m c y c l e t i m e i n

t h i s c a s e i s 1 . 1 n s . T h e r e a d a c c e s s f o r t h i s o p e r a t i o n i s

c l o s e t o 6 0 0 p s .

S i m i l a r l y f o r W B R o p e r a t i o n c y c l e t i m e c a n b e o b -

t a i n e d . F i g . 7 s h o w s d e l a y s a c r o s s v a r i o u s p a t h s . T h e

d e l a y f r o m W A T S t o W W L B i s 7 7 0 p s a n d f r o m r e a d

w o r d l i n e R W L A 1 t o o u t p u t O A 1 i s 4 0 0 p s . T h e m i n i -

m u m c y c l e t i m e f o r W B R i s 1 . 1 7 n s 7 7 0 p s + 4 0 0 p s f o r

" 1 " t o b e w r i t t e n r s t a n d t h e n r e a d i n t h e s a m e c y c l e .

O n c e a g a i n a c c e s s t i m e i s c l o s e t o 6 0 0 p s .

T h e a n a l y s i s f o r b u l k w a f e r c a n b e d o n e i n s i m i l a r f a s h -

i o n . T h e m i n i m u m c y c l e t i m e f o r W B R o p e r a t i o n i s 1 . 3 7

n s s u m t o t a l o f d e l a y b e t w e e n W A T S t o W W L B 8 2 0 p s

a n d R W L A 1 t o O A 1 5 5 0 p s . T h e a c c e s s t i m e f o r t h i s

o p e r a t i o n i s 9 2 0 p s F i g . 8 .

F o r R B R o p e r a t i o n t h e c y c l e t i m e f o r b u l k c a s e i s 1 . 4 5

n s w i t h a c c e s s t i m e o f a r o u n d 9 4 0 p s F i g . 9 .

I n a l l t h e s e c a s e s i t i s a r e n t t h a t t h e c y c l e t i m e i m -

p r o v e m e n t f o r S O I o v e r b u l k i s m o r e t h a n 1 5 a n d a c c e s s

t i m e i m p r o v e m e n t i s m o r e t h a n 2 5 . T h i s i s r e l a t e d t o

r e d u c t i o n i n j u n c t i o n c a p a c i t a n c e a n d v a r i a b l e t h r e s h o l d

v o l t a g e s o b s e r v e d d u r i n g s w i t c h i n g .

S i m u l a t i o n d a t a s h o w n f o r m u l t i p l e c y c l e s s h o w s i m i l a r

t r e n d s o b s e r v e d i n t h e h a r d w a r e p e r f o r m a n c e . P r o p e r

w a v e f o r m p r o p a g a t i o n a t i n t e r n a l n o d e s a r e a l s o s h o w n

i n F i g s . 1 0 a n d 1 1 . T h e s i m u l a t e d m i n i m u m c y c l e t i m e

f o r S O I a s s h o w n i n F i g . 1 1 i s c l o s e t o 1 . 0 5 n s w h i l e t h a t

o f b u l k i s c l o s e t o 1 . 3 n s f o r W B R o p e r a t i o n F i g . 1 1 .

O n c e a g a i n t h e i m p r o v e m e n t o f S O I o v e r b u l k i s m o r e

t h a n 1 5 .

T h e c y c l e t i m e o f o n e " r e a d " o p e r a t i o n i n a c y c l e e x -

c e e d s o v e r 1 . 2 G H z N o t s h o w n h e r e . T h i s p e r f o r m a n c e

i m p r o v e m e n t i s a t t r i b u t e d t o c a p a c i t a n c e r e d u c t i o n a n d

d y n a m i c t h r e s h o l d v o l t a g e s .

P o w e r i s p l o t t e d a g a i n s t f r e q u e n c y f o r S O I a n d b u l k

w a f e r s i n F i g . 1 2 . S O I s h o w s r e d u c t i o n 8 - 1 2 a t h i g h e r

f r e q u e n c i e s i n p o w e r d u e t o r e d u c t i o n i n j u n c t i o n c a p a c -

i t a n c e s o v e r b u l k . T h e t o t a l w o r s t c a s e p o w e r i n c l u d i n g

a l l t h e p o r t s i s c l o s e t o 1 . 3 6 8 W a t 1 . 9 V a n d 6 6 6 M H z

f o r S O I .

V . C O N C L U S I O N S

F u n c t i o n a l i t y o f a d y n a m i c r e g i s t e r l e w i t h s i n g l e r a i l

i n p u t a d d r e s s e s i s d e m o n s t r a t e d i n 0 . 2 5 m S O I a n d b u l k

t e c h n o l o g y . A m e t h o d i s p r o p o s e d t o e v a l u a t e h i g h f r e -

q u e n c i e s w h i c h a r e l i m i t e d b y t e s t e r s p e e d . B a s e d o n t h e

h a r d w a r e d a t a a n d i n t e r n a l p i c o - p r o b i n g i t i s s h o w n t h a t

t h e r e g i s t e r l e i s q u i t e c a p a b l e o f f u n c t i o n i n g a r o u n d 9 0 0

M H z a n d 7 3 0 M H z i n S O I a n d b u l k r e s p e c t i v e l y . S i m u l a -

t i o n d a t a s h o w s i m i l a r t r e n d s i n p e r f o r m a n c e . S O I s h o w s

r e d u c t i o n i n p o w e r b y 1 0 - 1 2 c o m p a r e d t o b u l k w a f e r s .

T h e p e r f o r m a n c e g a i n i n S O I i s a t t r i b u t e d t o r e d u c t i o n i n

c a p a c i t a n c e a n d d y n a m i c t h r e s h o l d v o l t a g e s . T h e c i r c u i t

t e c h n i q u e s i m p l e m e n t e d i n t h i s d y n a m i c r e g i s t e r l e c a n

b e e x t e n d e d t o m u l t i - g e g a h e r t z m i c r o p r o c e s s o r d e s i g n .

R E F E R E N C E S

1 W . H . H e n k e l s , W . H w a n g a n d R . V . J o s h i , " A 5 0 0

M H z 3 2 - W o r d x 6 4 - B i t 8 - P o r t S e l f - R e s e t t i n g C M O S

R e g i s t e r l e a n d a s s o c i a t e d d y n a m i c - t o - s t a t i c l a t c h , "

V L S I D e s i g n S y m p . , 1 9 9 7 .

2 R . V . J o s h i e t a l . , " A 6 6 6 M H z s e l f - r e s e t t i n g 8 P o r t ,

3 2 x 6 4 b i t s r e g i s t e r l e a n d l a t c h i n 0 . 2 5 m S O I t e c h -

n o l o g y , " P r o c . 1 9 9 8 I E E E I n t . S O I C o n f . , O c t 1 9 9 8 ,

. 1 3 1 - 1 3 2 .

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a low power 900 mhz register file

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