JP2016012383A - スタティックram - Google Patents

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Abstract

【課題】書き込み動作時に書き込みドライバの駆動線を負電位にブーストする際に、過剰ブーストの生じないSRAMを小さな回路規模で実現する。【解決手段】高電位電源線VDDと駆動線NVSの間に接続された書き込みドライバと、複数のビット線対の1つを書き込みドライバに接続する第1のトランジスタ対を有するカラムスイッチt1〜4と、メモリセルの書き込み時に、書き込みドライバの低側駆動線NVSを基準電位VSSより低い負電位にブーストするブースト回路と、を有し、ブースト回路は、容量素子CAPと、駆動線NVSと基準電位電源線VSSの間に接続され、ゲートにブースト信号BSTが印加されるブースト制御トランジスタt0と、を有し、ブースト制御トランジスタt0の閾値は、第1のトランジスタt1〜4の閾値より低い。【選択図】図4

Description

本発明は、スタティックRAM(SRAM: Static Random Access Memory)に関する。
近年、半導体プロセスの微細化につれ、SRAMの小面積、低動作電圧設計が進んでいる。それに伴い、メモリセルの安定性が弱くなっている。この問題を解決するため、書き込み(ライト)動作時に、ビット線対の低電位にするビット線の電位を負(マイナス)電位側にブーストすることで、ライト時の安定性を確保することが行われている。
書き込み(ライト)ドライバは、高電位電源線と基準電位電源線の間に接続したインバータにより形成するのが一般的である。ビット線を負電位にブーストするため、ライトドライバを形成するインバータの基準電位電源線を、独立した低側駆動線とし、ライト動作時に低側駆動線を一時的に負電位とし、それ以外の時には低側駆動線を基準電位電源線と同じ電位にする。
このような動作を行えるようにするため、一方の端子が低側駆動線に接続され、他方の端子にブースト信号が印加される容量素子と、低側駆動線と基準電位電源線の間に接続され、ゲートにブースト信号が印加されるブースト制御トランジスタと、を設ける。通常時、ブースト信号は高レベルであり、ブースト制御トランジスタがオンし、低側駆動線の電位は、基準電位電源線の電位VSSになり、容量素子は、ブースト信号の電位とVSSの電位差に充電される。ライト動作時、ブースト信号が低レベルに変化すると、ブースト制御トランジスタはオフし、容量素子に充電された電荷により、低側駆動線の電位が負電位に変化する。低側駆動線は、ライトドライバのインバータを形成するトランジスタ等を介して、複数のビット線対(カラム)の低側に駆動されるビット線に接続されており、低側に駆動されるビット線が負電位に駆動される。
上記のようなSRAMの回路では、動作電圧、プロセス条件、などのバラツキによって、ブーストされる電位差が異なる。例えば、ブースト信号の動作電圧が高い場合、低側駆動線が大きな負電位になる。それに応じて、選択したビット線対の低側に駆動されるビット線の電位も大きな負電位になると、非選択メモリセルのトランスファートランジスタの閾値電圧よりも大きくなる場合が生じ、非選択メモリセルに誤ってデータが書き込まれるという問題があった。また、低側駆動線が大きな負電位になると、非選択のカラムスイチのトランジスタにかかる電圧が閾値電圧より大きくなり、非選択のカラムスイチトランジスタがオンしてしまい、非選択セルに誤ってデータを書き込んでしまうという問題があった。
上記のような過剰ブーストの問題を解消するため、特許文献1は、低側駆動線の電位をクランプするクランプ回路を開示している。
また、特許文献2は、容量素子に可変容量を用いて、ブーストされる電位差を制御する構成を開示している。
特開2009−151847号公報 特開2010−257554号公報 特開2013−246862号公報
しかし、特許文献1および2に開示された構成を行うには別に回路を付加する必要があり、回路規模が大きくなるという問題があった。回路を付加する場合でも、付加する回路の規模を小さくすることが望まれる。
実施形態によれば、書き込み動作時に書き込み(ライト)ドライバの低側駆動線を負電位にブーストする際に、過剰ブーストの生じないスタティックRAMが、小さな回路規模で実現される。
第1の態様のスタティックRAMは、複数のワード線と、複数のビット線対と、複数のメモリセルと、書き込みドライバと、カラムスイッチと、ブースト回路と、を有する。複数のメモリセルは、複数のビット線対の複数のワード線との交差部に設けられる。書き込みドライバは、基準電位より電位が高い高電位電源線と、駆動線の間に接続される。カラムスイッチは、選択された複数のビット線対の1つを書き込みドライバに接続する第1のトランジスタ対を有する。ブースト回路は、メモリセルの書き込み時に、書き込みドライバの駆動線を基準電位より低い電位である負電位にブーストする。ブースト回路は、一方の端子が駆動線に接続され、他方の端子にブースト信号が印加される容量素子と、駆動線と電位が基準電位である基準電位電源線の間に接続され、ゲートにブースト信号が印加されるブースト制御トランジスタと、を有する。ブースト制御トランジスタの閾値は第1のトランジスタの閾値より低い。
第2の態様のスタティックRAMは、複数のワード線と、複数のビット線対と、複数のメモリセルと、書き込みドライバと、カラムスイッチと、ブースト回路と、を有する。複数のメモリセルは、複数のビット線対の複数のワード線との交差部に設けられる。書き込みドライバは、基準電位より電位が高い高電位電源線と、駆動線の間に接続される。カラムスイッチは、選択された複数のビット線対の1つを書き込みドライバに接続する第1のトランジスタ対を有する。ブースト回路は、メモリセルの書き込み時に、書き込みドライバの駆動線を基準電位より低い電位である負電位にブーストする。ブースト回路は、ブースト制御トランジスタと、過剰ブースト制限トランジスタと、を有する。ブースト制御トランジスタは、一方の端子が駆動線に接続され、他方の端子にブースト信号が印加される容量素子と、駆動線と電位が基準電位である基準電位電源線の間に接続され、ゲートにブースト信号が印加される。過剰ブースト制限トランジスタは、駆動線と基準電位電源線の間に接続され、過剰ブースト制限トランジスタの閾値は第1のトランジスタの閾値よりも低い。
実施形態のスタティックRAMによれば、書き込み動作時に書き込み(ライト)ドライバの低側駆動線を負電位にブーストする際に、過剰ブーストの生じないようにする回路が、小さな回路規模で実現される。
図1は、SRAMのメモリアレイ、カラムスイッチおよびライトドライバの部分の構成を示す図である。 図2は、図1のSRAMのライト動作を示すタイムチャートである。 図3は、実施形態のSRAMの全体構成を示す図である。 図4は、第1実施形態のSRAMのメモリアレイ、コラムスイッチおよびライトドライバの部分の構成を示す図である。 図5は、第1実施形態のSRAMのライト動作を示すタイムチャートである。 図6は、第2実施形態のSRAMのメモリアレイ、コラムスイッチおよびライトドライバの部分の構成を示す図であり、(A)が構成を、(B)から(D)が過剰ブースト防止回路の具体例を示す。
実施形態のスタティックRAM(以下SRAMと称する)を説明する前に、書き込み動作時に書き込み(ライト)ドライバの低側駆動線を負電位にブーストする一般的なスタティックRAMについて説明する。
図1は、SRAMのメモリアレイ、カラムスイッチおよびライトドライバの部分の構成を示す図である。図1では、2×2のメモリアレイを例として示すが、実際には多数のメモリセルが配置される。
SRAMは、2本のワード線WL0,WL1と、2組のビット線対BL0,BLX0;BL1,BLX1と、2本のワード線と2組のビット線対の交差部に対応して配置される4個のメモリセルCell1−Cell4と、を有する。メモリセルは、入力と出力を交互に接続した2個のインバータと、インバータの接続ノードをビット線対に接続する2個のトランスファートランジスタと、を有する。
ライトドライバは、ビット線対の一方BL0,BL1を駆動する第1インバータINVと、ビット線対の他方BLX0,BLX1を駆動する第2インバータINVXと、を有する。第1および第2インバータは、高電位電源線VDDと駆動電源線NVSの間に接続される。高電位電源線VDDの電位をVDDで、後述する基準電位電源線VSSの電位をVSSで、駆動電源線NVSの電位をNVSで表す。
第1および第2インバータは、ライトイネーブル信号WEが低レベル(L)の時にはPMOSトランジスタがオンしてライト信号線WDおよびWDXをHにする。ライトイネーブル信号WEが高レベル(H)の時には、ライトデータWINに応じて、第1および第2インバータのトランジスタの一方がオンし、他方がオフする。例えば、WINがLの時、第2インバータでは、PMOSトランジスタがオンし、NMOSトランジスタがオフし、第1インバータでは、PMOSトランジスタがオフし、NMOSトランジスタがオンする。これにより、WDXがH(VDD)に、WDがL(NVS)になる。WINがHの時、第2インバータでは、PMOSトランジスタがオフし、NMOSトランジスタがオンし、第1インバータでは、PMOSトランジスタがオンし、NMOSトランジスタがオフする。これにより、WDXがL(NVS)に、WDがH(VDD)になる。
ビット線対の一方BL0,BL1は、カラムスイッチt1、t2を介してライト信号線WDに、ビット線対の他方BLX0,BLX1は、カラムスイッチt3、t4を介してライト信号線WDXに接続される。カラムスイッチt1、t3のゲートにはカラム選択信号COL0が印加され、カラムスイッチt2、t4のゲートにはカラム選択信号COL1が印加される。
SRAMの構成については広く知られているので説明は省略する。
近年、SRAMの動作電圧は低くなる傾向にあり、ライト動作時に、低側に駆動されるビット線の電位を負電位にブーストすることにより、動作の安定性を向上することが行われる。図1の回路では、WDおよびWDXは、低レベルの時にはNVSになるが、ライト動作時にNVSをVSSよりフ電位にする。そのため、一方の端子がNVSに、他方の端子にブースト信号BSTが印加される容量素子CAPと、NVSとVSS間に接続され、ゲートにブースト信号BSTが印加されるNMOSトランジスタ(ブースト制御トランジスタ)t0を設ける。
通常時、ブースト信号BSTは高レベルであり、t0がオンし、NVSはVSSと同じ電位になり、容量素子CAPは、ブースト信号BSTとVSSの電位差に充電される。ライト動作時、ブースト信号が低レベル(例えばVSS)に変化すると、t0はオフし、容量素子CAPに充電された電圧により、NVSの電位が負電位に変化する。
前述のように、NVSは、WDとWDXの一方に接続され、WDとWDXの一方は選択されたカラムスイッチを介して選択された選択されたビット線対の一方に接続される。これにより、選択されたビット線対の低側に駆動される一方のビット線は負電位になり、選択されたメモリセルのトランスファーゲートを介してメモリセルに負電位が印加され、書き込みを安定的に行うことを可能にする。
図2は、図1のSRAMのライト動作を示すタイムチャートである。
ここでは、図1に示すように、WL0がオンし、COL0がオンし、Cell1がアクセスされ、WIN=Lがライトされる例を示す。
図2に示すように、WINがLに、COL0,WL0がHに変化し、BL0がLに変化する。さらに、BL0がLに変化し始めると、BSTがHからLに変化し、ブーストが機能してBL0は負電位になる。この時、BLX0はHを維持する。
Cell1のノードC1は、BL0の変化に応じてLに変化し、さらに負電位に変化する。Cell1の別のノードCX1は、BLX0の変化に応じてHに変化する。これにより、Cell1にLのライトが行われる。
この時、図1に示すように、Cell3のトランスファーゲートt5は、WL1がLであるからオフし、カラムスイッチt2、t4はCOL1がLであるからオフしている。ここで、NVSが負電位にブーストされ、BL0が負電位になると、LレベルであるWL1と負電位のBL0の電位差がt5の閾値電圧を超える場合が起きる。これにより、t5はオンし、非選択セルであるCell3に誤ってデータを書き込んでしまい、Cell3のデータが書き換えられる誤書き込み(ライト)が発生する。
また、WDが負電位になると、LレベルであるCOL1とWDの電位差がt2の閾値電圧を超える場合が起きる。これにより、t2はオンし、非選択カラムがオンしてしまい、非選択セルCell2に誤ってデータを書き込んでしまう誤書き込み(ライト)が発生する。
以下に説明する実施形態では、誤書き込みの防止を簡単な回路で行うSRAMが開示される。
図3は、実施形態のSRAMの全体構成を示す図である。
SRAMは、メモリアレイ11と、ライトドライバ、センスアンプおよびカラムスイッチを含む部分12と、入出力部13と、デコーダ14と、タイミングおよびプリデコーダ部15と、を有する。メモリアレイ(Memory Array)11は、複数のワード線と、複数のビット線対と、複数のワード線と複数のビット線対の交差部分に対応して配置された複数のメモリセルを含む。入出力部(IO)13は、外部からライトデータを受けてWINを生成し、センスアンプの出力からリードデータを生成して外部に出力する。デコーダ(decoder)14は、プリコードされたアドレス信号をデコードしてワード線選択信号WLを生成し、プリコードされたアドレス信号をデコードしてカラム選択信号を生成し、さらにライトイネーブル信号WE、ブースト信号BSTなどを生成する。タイミングおよびプリデコーダ部(Timing&Pre decoder)15は、全体のタイミング制御を行うと共に、アドレス信号のプリでコードを行う。
図3のSRAMの全体構成については広く知られているので、説明は省略する。
図4は、第1実施形態のSRAMのメモリアレイ、コラムスイッチおよびライトドライバの部分の構成を示す図である。図4では、図1と同様に、2×2のメモリアレイを例として示すが、実際には多数のメモリセルが配置される。
図4に示すように、第1実施形態のSRAMは、図1のSRAMに類似した構成を有し、ブースト制御トランジスタt0の特性のみが図1のSRAMと異なる。そのため、各部の説明は省略し、図1のSRAMと異なる事項について説明する。
第1実施形態のSRAMでは、ブースト制御トランジスタt0が、低閾値トランジスタである。具体的には、ブースト制御トランジスタt0の閾値電圧は、メモリセルに含まれるトランスファーゲートを形成するトランジスタやカラムスイッチを形成するトランジスタの閾値電圧より低い。
これにより、図4において、選択ビット線対に接続される非選択のメモリセルCell3のトランスファーゲートを形成するNMOSトランジスタt5のゲートとBL0の電位差がt5の閾値電圧を超える前に、t0がオンする。このため、VSSからNVSノードに電荷が供給され、NVSノードの負電位を緩和する。それによって、NVSノードの過剰ブーストを制限することで、Cell3への誤書き込みを防ぐことができる。
これは、WDXおよびBLX0をNVSノードの電位にする場合も同様であり、t0の閾値電圧を、メモリセルのトランスファーゲートを形成するトランジスタおよびカラムスイッチを形成するトランジスタの閾値電圧より、低くする。
同様に、非選択カラムスイチt2のゲートとWDノードの間の電位差が、t2を形成するトランジスタの閾値電圧を超える前に、t0がオンして、NVSノードの負電位を緩和する。それによって、Cell2への誤書き込みを防ぐことができる。
言い換えれば、誤書き込みは、非選択信号(VSS)がゲートに印加され、非制御端子にブーストされた負電位が印加されるクリチカルトランジスタにおける電位差が閾値電圧を超えて、トランジスタがオンすることにより発生する。そのため、非選択信号(VSS)のノードとブーストされた負電位のNVSノードの間に接続されるブースト制御トランジスタt0が、クリチカルトランジスタがオンする前にオンすれば、誤書き込みを防ぐことができる。
ここで、閾値電圧の具体的な例を説明するが、説明する例はあくまで例であり、メモリアレイの設計に応じて適宜設定されるべきものである。
例えば、VDDは、通常1.2V程度で使用されるが、仕様上はVDDが0.6Vでも動作することが求められる。そこで、t1−t4、t5などのメモリアレイのトランジスタの閾値は400mV程度で設計し、ブースト信号はVDDからVSS(0V)に変化するとする。例えば、VDDが0.6Vで、ノードNVSの電位を−60mV〜−100mV程度ブーストするように設計した場合、VDDが1.2Vであると、製造のバラツキ等も含めると、ノードNVSの電位は−500mV以上にもブーストされる場合が起こる。その場合、ライト時の電位差がt1−t4、t5の閾値電圧を超えて、誤書き込みが発生する。そこで、t0の閾値電圧を150mV〜200mVに設定することにより、誤書き込みの発生を防止できる。t0の閾値電圧は、他の部分とプロセス条件やトランジスタの形状を変更することにより実現できる。
図5は、第1実施形態のSRAMのライト動作を示すタイムチャートである。
図5に示すように、第1実施形態のSRAMは図2に類似の動作を行うが、Cell2およびCell3で語書き込みが発生しないことが、図2と異なる。BL0および図示していないがWDは、t5およびt2がオンする負電位まで低下しないため、Cell2およびCell3における誤書き込みは発生しない。
以上説明したように、第1実施形態のSRAMは、ブースト制御トランジスタt0の閾値電圧を変更するのみで、NVSノードの負電位への過剰ブーストを防止でき、誤書き込みを防止する。したがって、第1実施形態のSRAMは、特許文献1および2に記載されたような回路を付加する必要が無く、回路構成が簡単である。
図6は、第2実施形態のSRAMのメモリアレイ、コラムスイッチおよびライトドライバの部分の構成を示す図であり、(A)が構成を、(B)から(D)が過剰ブースト防止回路の具体例を示す。図6では、図1と同様に、2×2のメモリアレイを例として示すが、実際には多数のメモリセルが配置される。
図6に示すように、第2実施形態のSRAMは、図1に示したSRAMと類似の構成を有し、過剰ブースト防止回路20が設けられていることが、図1のSRAMと異なる。そのため、各部の説明は省略し、図1のSRAMと異なる事項について説明する。
過剰ブースト防止回路20は、図6の(B)に示すように、NMOSトランジスタをノードNVSとVSS間に接続し、ゲートにVSSを印加することにより形成できる。この場合、NMOSトランジスタの閾値電圧を、メモリセルのトランスファーゲートを形成するトランジスタおよびカラムスイッチを形成するトランジスタの閾値電圧より、低くする。
また、過剰ブースト防止回路20は、図6の(C)に示すように、NMOSトランジスタをノードNVSとVSS間に接続し、ゲートにブースト信号BSTを印加することにより形成できる。この場合、NMOSトランジスタの閾値電圧を、メモリセルのトランスファーゲートを形成するトランジスタおよびカラムスイッチを形成するトランジスタの閾値電圧より、低くする。
さらに、過剰ブースト防止回路20は、図6の(D)に示すように、PMOSトランジスタをノードNVSとVSS間に接続し、ゲートにNVSを印加することにより形成できる。この場合、PMOSトランジスタの閾値電圧を、メモリセルのトランスファーゲートを形成するトランジスタおよびカラムスイッチを形成するトランジスタの閾値電圧より、低くする。
以上説明したように、第2実施形態のSRAMは、簡単な構成の過剰ブースト防止回路20を設けるだけで、NVSノードの負電位への過剰ブーストを防止でき、誤書き込みを防止する。したがって、第1実施形態のSRAMは、特許文献1および2に記載された付加する回路に比べて簡単な回路を付加するのみであり、回路構成が簡単である。
以上説明したように、実施形態のSRAMは、従来のトランジスタを低閾値トランジスタに変更するか、1個の低閾値トランジスタを追加するのみで、非選択セルへ誤書き込みを防ぐことができ、ライト安定性を確保することができる。
以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものである。特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではなく、明細書のそのような例の構成は発明の利点および欠点を示すものではない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。
11 メモリアレイ
12 ライトドライバ、センスアンプおよびカラムスイッチを含む部分
13 入出力部
14 デコーダ
15 タイミングおよびプリデコーダ部
BL0,BLX0;BL1,BLX1 ビット線対
Cell1−3 メモリセル
INV,INVX インバータ
CAP 容量素子
t0 ブースト制御トランジスタ
t1−t4 カラムスイッチ

Claims (6)

  1. 複数のワード線と、
    複数のビット線対と、
    前記複数のビット線対の前記複数のワード線との交差部に設けられた複数のメモリセルと、
    基準電位より電位が高い高電位電源線と、駆動線の間に接続された書き込みドライバと、
    選択された前記複数のビット線対の1つを前記書き込みドライバに接続する第1のトランジスタ対を有するカラムスイッチと、
    前記メモリセルの書き込み時に、前記書き込みドライバの前記駆動線を前記基準電位より低い電位である負電位にブーストするブースト回路と、を有し、
    前記ブースト回路は、
    一方の端子が前記駆動線に接続され、他方の端子にブースト信号が印加される容量素子と、
    前記駆動線と電位が前記基準電位である基準電位電源線の間に接続され、ゲートに前記ブースト信号が印加されるブースト制御トランジスタと、を有し、
    前記ブースト制御トランジスタの閾値は前記第1のトランジスタの閾値より低いことを特徴とするスタティックRAM。
  2. 前記メモリセルは当該メモリセルを前記ビット線対に接続する第2のトランジスタ対を有し、前記ブースト制御トランジスタの閾値は前記第2のトランジスタの閾値よりも低いことを特徴とする請求項1に記載のスタティックRAM。
  3. 複数のワード線と、
    複数のビット線対と、
    前記複数のビット線対の前記複数のワード線との交差部に設けられ、前記ワード線により選択され前記ビット線対との間でデータを転送する第1のトランジスタ対を有する複数のメモリセルと、
    基準電位より電位が高い高電位電源線と、駆動線の間に接続された書き込みドライバと、
    前記複数のビット線対の1つを選択して前記書き込みドライバに接続するカラムスイッチと、
    前記メモリセルの書き込み時に、前記書き込みドライバの前記駆動線を前記基準電位より低い電位である負電位にブーストするブースト回路と、を有し、
    前記ブースト回路は、
    一方の端子が前記駆動線に接続され、他方の端子にブースト信号が印加される容量素子と、
    前記駆動線と電位が前記基準電位である基準電位電源線の間に接続され、ゲートに前記ブースト信号が印加されるブースト制御トランジスタと、を有し、
    前記ブースト制御トランジスタの閾値は前記第1のトランジスタの閾値より低いことを特徴とするスタティックRAM。
  4. 複数のワード線と、
    複数のビット線対と、
    前記複数のビット線対の前記複数のワード線との交差部に設けられた複数のメモリセルと、
    基準電位より電位が高い高電位電源線と、駆動線の間に接続された書き込みドライバと、
    選択された前記複数のビット線対の1つを前記書き込みドライバに接続する第1のトランジスタ対を有するカラムスイッチと、
    前記メモリセルの書き込み時に、前記書き込みドライバの前記駆動線を前記基準電位より低い電位である負電位にブーストするブースト回路と、を有し、
    前記ブースト回路は、
    一方の端子が前記駆動線に接続され、他方の端子にブースト信号が印加される容量素子と、
    前記駆動線と電位が前記基準電位である基準電位電源線の間に接続され、ゲートに前記ブースト信号が印加されるブースト制御トランジスタと、
    前記駆動線と前記基準電位電源線の間に接続される過剰ブースト制限トランジスタと、を有し、
    前記過剰ブースト制限トランジスタの閾値は前記第1のトランジスタの閾値よりも低い
    ことを特徴とするスタティックRAM。
  5. 前記メモリセルは当該メモリセルを前記ビット線対に接続する第2のトランジスタ対を有し、前記過剰ブースト制限トランジスタの閾値は前記第2のトランジスタの閾値よりも低いことを特徴とする請求項4に記載のスタティックRAM。
  6. 複数のワード線と、
    複数のビット線対と、
    前記複数のビット線対の前記複数のワード線との交差部に設けられ、前記ワード線により選択され前記ビット線対との間でデータを転送する第1のトランジスタ対を有する複数のメモリセルと、
    基準電位より電位が高い高電位電源線と、駆動線の間に接続された書き込みドライバと、
    前記複数のビット線対の1つを選択して前記書き込みドライバに接続するカラムスイッチと、
    前記メモリセルの書き込み時に、前記書き込みドライバの前記駆動線を前記基準電位より低い電位である負電位にブーストするブースト回路と、を有し、
    前記ブースト回路は、
    一方の端子が前記駆動線に接続され、他方の端子にブースト信号が印加される容量素子と、
    前記駆動線と電位が前記基準電位である基準電位電源線の間に接続され、ゲートに前記ブースト信号が印加されるブースト制御トランジスタと、
    前記駆動線と前記基準電位電源線の間に接続される過剰ブースト制限トランジスタと、を有し、
    前記過剰ブースト制限トランジスタの閾値は前記第1のトランジスタの閾値よりも低い
    ことを特徴とするスタティックRAM。
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