JP4111304B2 - Semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はダイナミックメモリおよびそれを用いた半導体装置に係わり、特に高速低電力な用途に好適なダイナミックメモリおよびそれを用いた半導体装置を提供する。
【0002】
【従来の技術】
一つのNMOSトランジスタと一つのキャパシタからなるメモリセルによって情報が記憶されている従来のダイナミックメモリ(以下DRAMと記す)の動作波形は、例えば伊藤清男著、「超LSIメモリ」、培風館、p86に記載されているように、図2のように動作する。すなわち、読み出し動作時にはワード線WLをアサートしてメモリセルからの信号をビット線BL、/BLに読み出した後、所定時間φAでセンスアンプを起動し、ビット線の信号を増幅する。この結果、アクセスを開始してからロウアドレスアクセス時間(tRAC)後にデータが確定出力される。また、メモリセルへの再書き込みのためにtRASまで時間を要し、その後、プリチャージ時間(tRP)がビット線等のプリチャージ時間として必要になる。
【0003】
一方、書き込み動作時は基本的に読み出し動作と同様であるが、センスアンプ駆動後に選択メモリセルのデータをビット線を書き込みデータに応じて駆動することで行われる。
【0004】
また、これらのダイナミックメモリはメモリセル内の情報保持のためにはリフレッシュ動作が必要である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のダイナミックメモリでは、
(1)読み出し動作時、メモリセルへの再書き込みのためにビット線の振幅を大きくしなければならない。これによって、tRAS+tRPで表されるサイクル時間(tRC)が長くなる。
【0006】
(2)書き込み動作時、非選択メモリセルは読み出し動作と同様の動作を行う必要があるため、書き込みのサイクル時間tRCも読み出し動作と場合と同様に長くなる。
【0007】
(3)上記(1)(2)のためにダイナミックメモリを完全パイプライン化した場合、そのパイプラインピッチが長くなる。
【0008】
(4)リフレッシュが必要であるということより、リフレッシュ以外のダイナミックメモリへのアクセス(外部アクセス)とリフレッシュのためのアクセスの間に競合が発生して性能劣化が生じる。
【0009】
という課題が生じる。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明で用いた主な手段は以下の通りである。即ち、半導体装置において、複数のビット線と複数のワード線との交点に設けられた複数のメモリセルとを含むメモリ回路と、前記メモリ回路に対して読み出し又は書込のいずれかを指示するための外部コマンド及び外部アドレスを第1クロックの変化点て受けて前記第1クロックよりも周波数の高い第2クロックの変化点で前記メモリ回路に読み出し又は書込のいずれかを指示するための内部コマンド及び内部アドレスとして前記メモリ回路に供給するためのアクセス制御回路とを有するようにし、前記アクセス制御回路は、前記外部コマンド及び前記外部アドレスが供給されないタイミングの前記第2クロックの変化点で前記複数のメモリセルのリフレッシュ動作を行うためのリフレッシュ制御回路を更に含むようにする。
【0011】
以上の構成により当該メモリ回路は、リフレッシュが必要なメモリセルを使ってもそのリフレッシュを外部制御から分離した内部動作とすることができるためリフレッシュ動作が外部から隠蔽される。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。実施例の各ブロックを構成する回路素子は、特に制限されないが、公知のCMOS(相補型MOSトランジスタ)等の集積回路技術によって、単結晶シリコンのような1個の半導体基板上に形成される。MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)の回路記号はゲートに丸印をつけないものはN形MOSFET(NMOS)を表し、ゲートに丸印をつけたP形MOSFET(PMOS)と区別される。以下MOSFETを呼ぶために簡略化してMOSあるいはMOSトランジスタと呼ぶことにする。但し、本願発明は金属ゲートと半導体層の間に設けられた酸化膜絶縁膜を含む電界効果トランジスタだけに限定される訳ではなくMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)等の一般的なFETを用いた回路に適用される。
【0013】
なお、本来はラッチとフリップフロップあるいはレジスタは、厳密には意味が異なるが、ここでは特に限定しないかぎりそれらを代表してラッチと記す。
【0014】
<実施例1>
図1に本発明の代表的な実施例を示す。本発明のメモリ装置はダイナミックメモリ100とキャッシュメモリ110からなっている。キャッシュメモリ110中の111はValidビット、112、113はキャッシュメモリの各エントリのアドレスとデータを示している。114はキャッシュメモリ110に接続されているバス、115はダイナミックメモリ100に接続されているバス、116はそれらのバスコントローラを示している。
【0015】
ダイナミックメモリ100は図3に示したような動作を行う。すなわち、読み出し動作時にはワード線WLをアサートした後、φAでセンスアンプを起動する。この結果、アドレスが入力されてからtRAC後にデータDOが出力される。その際従来のダイナミックメモリと異なり、ビット線に読み出し信号を増幅してメモリセルへ書き込むという再書き込み動作を行わない。
【0016】
したがって、従来のようにビット線BL、/BLにデータを増幅する必要がなく、ビット線の充放電に要する電力を削減できる。また、従来の図2に示したtRASに相当する時間が必要ない。tRPがビット線等のプリチャージ時間として必要になるが、ビット線BL、/BLは小振幅のままであるため短い時間でプリチャージが可能になる。
【0017】
一方、書き込み動作は選択メモリセルのワード線WLのみアサートすることで、ワード線WLをアサートするとすぐにビット線BL、/BLを書き込みデータに応じて駆動する。
【0018】
読み出し時にメモリセルへの再書き込みを行わないことから、破壊読み出しとなる。そのデータを保護するためにキャッシュメモリ110を使用する。ダイナミックメモリ100から読み出されたデータはキャッシュメモリ110へ送られる。キャッシュメモリ110は読み出したデータをあるエントリに格納するが、その際そのエントリのValidビットをセットする。さらに、キャッシュメモリのリプレース動作際、Validビットのセットされているエントリに関しては、新しいデータをそのエントリに格納すると同時に格納されていたデータをダイナミックメモリ100へ書き戻す。(ライトアロケート方式のライト方式を使用したライトバック方式の如く制御する。)
このように制御することでダイナミックメモリ100から破壊読み出しで読み出されたデータはキャッシュメモリ110のある一つのエントリに格納され、キャッシュメモリ110から追い出される(リプレース)際にはValidビットがセットされているためダイナミックメモリ100への書き戻しがなされる。このように、ダイナミックメモリ100とキャッシュメモリ110内で往復しているだけで、元のデータは決して失われることがない。
【0019】
上記のダイナミックメモリ100とキャッシュメモリ110との間のデータの流れはバスコントローラ116によって行われるが、ダイナミックメモリ100とキャッシュメモリ110が直接一つのバスで接続可能な構成になっていれば図1中のバスコントローラは特に必要がないのは言うまでない。
【0020】
また、本発明のダイナミックメモリ100のセンスアンプには、例えば伊藤清男著、「超LSIメモリ」、培風館、p165に記載されているような直接センス方式のセンスアンプが好適である。この直接センス方式ではセンスアンプがビット線にデータを増幅するのを待たずにメモリセル信号を直接共通データ出力線に取り出すことができ、高速動作が可能である。従来のダイナミックメモリでこの直接センス方式を使用した場合、そのセンスアンプと並列にメモリセルへの再書き込み用のアンプが必要になるが、本発明のダイナミックメモリではこの再書き込み用アンプは必要ない。
【0021】
図4はこの直接センス方式のセンスアンプを本発明のダイナミックメモリ100に適用した場合の実施例である。MCはダイナミック型メモリセル、301はイコライザ回路、302は直接センス方式のセンスアンプ回路、303はライトアンプ回路、304はワードドライバ回路、305a〜305dはワード線、BLと/BLはビット線、EQはイコライザ回路起動信号、SAはセンスアンプ回路起動信号、WAはライトアンプ回路起動信号を示している。ROと/ROはセンスアンプ回路からの出力線、WIと/WIはライトアンプ回路への入力線を示しており、2本のデュアルレール信号でI/O線(入出力線)を形成している。再書き込みアンプ回路がないのが特徴である。ここでは、出力線と入力線を分離した例を示したが、共通とすることも可能である。即ち入出力線とは書き込み読み出し用に分離した2対のものであってもよいし、1対に共通化したものでもよい。
【0022】
上記したように本発明のダイナミックメモリ100はtRCが従来のダイナミックメモリと比較して大幅に短くできる。この特徴を使用するとダイナミックメモリ100を図5のようにパイプラインした場合に、そのパイプラインピッチを小さくできる。図5で、200は本発明のダイナミックメモリをパイプライン化した時の構成例である。201はアドレスラッチ、202はアドレスデコーダ、203はアドレスドライバ、204はセンスアンプとライトアンプ、205は入力データDIラッチ、206はライトバッファ、207はI/O線210,211の信号を増幅するI/O線アンプ、208と209はビット線対BLと/BL、210と211はI/O線対、212はワード線、213はメモリセルである。
【0023】
クロックCLKは201と205と207に入力され、2ステージパイプライン構造になっている。
【0024】
読み出し時には、201でラッチされたアドレスはデコードされた後、ワード線212の内、一本を選択してアサートする。ビット線BL,/BLに出力されたメモリセルの情報は204で増幅される。増幅されたメモリセルのデータは次のクロックによって207によってラッチされ、出力データDOとして出力される。
【0025】
上記読み出し方法をタイミングチャートで例示したのが図5の(b)である。クロックCLKの#1で示された立ち上がりエッジでリードアドレスRa1が入力され、#2でデータRd1が出力されている。そのデータRd1は#3では確定しているため、#1でリード要求を発行したデバイスあるいは回路は、レイテンシ2でダイナミックメモリ100からのデータを読み込むことができることになる。同様に、#2で入力されたリードアドレスRa2に対応したデータRd2が#3で出力され、#4でそのデータは読み込み可能になっている。リード要求に対して、データを2クロック後に取り込めるため、リードレイテンシは2である。
【0026】
書き込み時には、201でラッチされたアドレスはデコードされた後、ワード線212の内、一本を選択してアサートする。同時に書き込みデータは205によってラッチされ、206によってビット線BL,/BLを駆動する。この動作によってメモリセルへの書き込みが行われる。
【0027】
上記書き込み方法をタイミングチャートで例示したのが図5の(c)である。クロックCLKの#1で示された立ち上がりエッジでライトアドレスWa1が入力され、同時にライトデータWd1が#1で入力される。次のクロック#2までにライト動作が完了し、#2では次のライトアドレスWa2とライトデータWd2が入力されている。ライト要求をアドレス入力と同じクロックで完了できるため、ライトレイテンシは0である。
【0028】
上記二つの動作にはビット線BL,/BLおよびI/O線等のプリチャージ動作は省略したが、その方法は特に限定しない。クロックCLKの立ち上がりからワード線のアサートまでの間におこいなってもよい。
【0029】
従来のダイナミックメモリではtRCが長いためにパイプライン化してもそのパイプラインピッチが長くなってしまうという欠点があった。従来ではこの欠点を見かけ上隠ぺいするためにマルチバンクインターリーブ等の方式が使用されているが、同一バンクへのアクセスが連続したときにはパイプラインが乱れる等の問題があり、またバンク制御が複雑になるという欠点があった。
【0030】
図6は図5のダイナミックメモリのライトレイテンシとリードレイテンシを同じにした場合の実施例である。レイテンシの定義を正確にするために本願で使用するレイテンシの定義を記述する。リードレイテンシとは、リード要求を行ったクロックエッジからデータを取り込めるまでのクロックエッジまでのクロック数であり、ライトレイテンシとは、ライト要求を行ったクロックエッジからライトデータを入力したクロックエッジまでのクロック数である。
【0031】
221はリードアドレスラッチ、222、223、224はライトアドレスラッチ、225はセレクタである。矢印付きの破線はクロック線を表し、ライトデータ制御部226によって以下に示すように制御される。図5と比較すると、アドレスラッチ201がリードアドレスラッチ221とライトアドレスラッチ222〜224とセレクタ225に置き換えられている。また、アドレスラッチの入力クロックと205の入力クロックはライトデータ制御部226によって以下のように制御されている。
【0032】
ライトアドレスが入力されるとライトアドレスラッチ222〜224によってそのアドレスは遅延される。ライトアドレスの入力から2クロック後に入力されるライトデータは205によってラッチされており、ライト準備状態となる。このライトアクセスの次にライトアクセス要求があったタイミングで、224にラッチされているアドレスと205にラッチされているデータを元にメモリセルにライトレイテンシ0で書き込まれる。したがって、ライト動作はそのライトアクセスの次あるいはそれ以降のライトアクセス時に行われることになる。(実際のメモリセルへのライト動作はライトアドレスとライトデータが揃った時点を含め、それ以降のライト要求時に行われるということで、いわゆるディレイドライトされるということである。) 図5の方式ではライトレイテンシ0、リードレイテンシ2であるが、図6のような構成で制御することで、ライトレイテンシとリードレイテンシをどちらも2にできる。
【0033】
上記読み出し方法をタイミングチャートで例示したのが図6の(b)である。読み出し方法は基本的に図5の(b)と同様になる。すなわち、クロックCLKの#1で示された立ち上がりエッジでリードアドレスRa1が入力され、#2でデータRd1が出力されている。そのデータRd1は#3では確定しているため、#1でリード要求(Ra1)を発行した回路デバイスは、レイテンシ2で対応するデータ(Rd1)を読み込むことができることになる。同様に、#2で入力されたリードアドレスRa2に対応したデータRd2は#3で出力され、#4で読み込み可能になっている。リード要求に対して、データを2クロック後に取り込めるため、リードレイテンシは2である。
【0034】
一方、上記書き込み方法をタイミングチャートで例示したのが図6の(c)である。クロックCLKの#1で示された立ち上がりエッジでライトアドレスWa1が入力され、ライトアドレスラッチ222でラッチされる。#2でライトアドレスラッチ223で、#3でライトアドレスラッチ224でラッチされる。#3では同時にライトデータWd1は入力データDIラッチ205でラッチされ、ライト準備状態となる。#3を含んでそれ以降のライトアドレス入力時に、Wa1とWd1のメモリセルへの書きこみが実行される。ライトアドレス入力から2クロック目でライトデータを取りこむため、ライトレイテンシは2である。
【0035】
言うまでないが、図6の(c)のようにライトレイテンシ2を実現するためには、図6の(c)の#3でリード要求がある時を想定して、入力データDIラッチ205には2つまでのライトデータがラッチできる構造である必要がある。その構造は特に限定しないが、FIFO構造のバッファ等で容易に実現できる。
【0036】
このようにライトとリードのレイテンシを合わせるように制御することで、CPUやバスマスタからの複数のアクセス要求やリフレッシュ要求を、パイプラインを乱すことなくダイナミックメモリへ投入できる。また、本発明のダイナミックメモリを使用するデバイス・回路はリードレイテンシのみならず、ライトレイテンシも完全に把握できる。したがって、ライトデータをリードレイテンシと同じレイテンシでダイナミックメモリに投入するということが容易にでき、それによってリードとライトが混在した場合のパイプライン充填率を高めることができる。特に、ダイナミックメモリの出力データ線DOと入力データ線DIが、入出力データ線として共用されている場合、入力データと出力データを時分割で分離して伝達させる必要があるために上記効果が大きくなる。また、いわゆるリード・モディファイ・ライトアクセス時には、リードされたデータを用いて処理した後でそのデータをライトする必要があるため、リードレイテンシとライトレイテンシが同じである方がパイプライン充填率を高めることができる。
【0037】
なお、図6の方式ではライトアクセス後に実際にメモリにその情報が書き込まれるのは少なくとも2クロック後である。したがって、ライトアクセス要求後にライト要求した同一アドレスに対してリードアクセス要求があった場合にはデータのコヒーレンシに関して注意が必要である。これにはたとえば以下のような解決策がある。
【0038】
(1)ライトアクセス要求(Wa1)の1クロック後に同一アドレスにリードアクセス要求(Ra2)があった場合、ライトアクセス要求(Wa1)に対応するライトデータ(Wd1)をリードアクセス要求(Ra2)に対応するリードデータ(Rd2)として出力する必要がある。しかし、ライトデータ(Wd1)はまだダイナミックメモリセルには書きこまれていないので、リードアクセス要求(Ra2)の次のクロックでライトデータ(Wd1)を入力した後、さらにその次のクロックでライトデータ(Wd1)をリードアクセス要求(Ra2)に対応するリードデータ(Rd2)としてフォワードして出力すればよい。
【0039】
(2)ライトアクセス要求(Wa1)の2クロック後に同一アドレスにリードアクセス要求(Ra2)があった場合、そのクロックで入力したライトアクセス要求(Wa1)に対応するライトデータ(Wd1)をリードアクセス要求(Ra2)の次のクロックでリードアクセス要求(Ra2)に対応するリードデータ(Rd2)としてそのままフォワードして出力すればよい。
【0040】
以上のフォワード回路を図6に付加したのが図7である。231はアドレス比較器、232はセレクタ、233はラッチである。231のアドレス比較器はライトアドレスラッチ222〜224までにされているアドレス情報と、リード要求のあったアドレスを比較し、メモリセルへのライト動作の完了してないアドレスへのアクセス要求があった場合にはセレクタ232を用いて対応する読みだしデータを入力データDIラッチ205から223へフォワーディングしている。
【0041】
なお、上記(1)と(2)の動作を実現できれば図7の実施例の構造には限定しない。
【0042】
図5から図7等で示した本発明のダイナミックメモリの、パイプライン段数およびパイプラインの切り方については特に図示した方法に限定するものではない。例えばワード線デコーダ202とワード線ドライバ203の間にラッチを設けてパイプライン段数を増やしたり、センスアンプ204をパイプラインラッチとして使用してパイプライン段数を増やしてもよい。パイプライン段数を増やした方がパイプラインピッチを短くでき、動作周波数を高くすることができることは言うまでない。
【0043】
本発明のダイナミックメモリは破壊読み出しで使用するために、基本的に読み出すデータの格納されたメモリセルに接続されたワード線のみをアサートする必要がある。読み出されないでワード線のみをアサートすれば、そのワード線にメモリセルの内容は破壊され、かつそのメモリセルの内容はダイナミックメモリからも読み出されないので、このダイナミックメモリを使用したシステム全体から消失されることになる。したがって、一度に読み出すデータのビット幅が少なく、選択するメモリセルの数が少ない場合、ワード線を多くのサブワード線に分割し、読み出すデータの格納されたメモリセルに接続されたワード線だけをデコードしてアサートする必要がある。(以下、これをワード線分割の課題と呼ぶ)このワード線の分割は面積増加につながる。しかし、一度に読み出すメモリセルの数を多くするようにすれば、ワード線を分割しても分割数を少なくできるため、面積増加にならない。これには以下のような方法がある。
【0044】
(1)キャッシュメモリ110はダイナミックメモリ100と同一半導体チップ上に集積すれば、ダイナミックメモリを格納するパッケージのピン数ネックが無いためにキャッシュメモリのラインサイズを大きくして、一度に選択する選択メモリセルの数を増やすことができる。極端な例ではキャッシュメモリのメモリセルをセンスアンプと並列にレイアウトしてもよい。ダイナミックメモリ100とキャッシュメモリ110の間のデータ幅を大きくして(例えば1024ビット)、それらの集積されている半導体チップと外部とのデータ幅はそれよりも小さいデータ幅(例えば32ビット)にしてもよい。パッケージのピン数ネックを回避して、上記ダイナミックメモリ100の面積増加を抑えることができる。
【0045】
(2)キャッシュメモリ110をCPUの1次キャッシュあるいは2次キャッシュを用いて実現するなどしてダイナミックメモリ100とは別チップにした場合には、キャッシュメモリ110とダイナミックメモリ100間だけのデータ転送サイズを多くする。例えばキャッシュメモリ110をCPUの2次キャッシュで実現した場合、2次キャッシュのラインサイズを大きくすればよい。
【0046】
また、本発明のダイナミックメモリに格納されているデータはキャッシュメモリ110あるいはダイナミックメモリ100中に存在する。したがって、これらのメモリシステムに対して複数のバスマスタがある場合、いわゆるコヒーレンシの問題が生じるが、例えば以下のようにしてこの問題を解決できる。
【0047】
(1)キャッシュメモリ110とダイナミックメモリ100が同一半導体チップ上に集積されており、そのチップへのアクセスはキャッシュメモリ110を通してのみ行われるのであれば、ダイナミックメモリ100への直接のアクセスは有り得ないのでコヒーレンシの問題は生じない。
【0048】
(2)キャッシュメモリ110とダイナミックメモリ100が別チップ上に形成された場合、キャッシュメモリ110をCPUの1次キャッシュあるいは2次キャッシュを用いて実現すればよい。ダイナミックメモリ100には直接複数のCPUからのアクセスが可能になるが、CPUや1次キャッシュあるいは2次キャッシュコントローラに内蔵しているMESIプロトコル等を用いたスヌーピング機能等のコヒーレンシ補償方法をそのまま使用できる。ダイナミックメモリ100からデータを読み出した場合にはそのデータのエントリのValidビットはセットされるため、MESIプロトコルが他のCPUの該当エントリアクセスをモニタしてくれる。
【0049】
図8はキャッシュメモリ110が使用できない場合の本発明の完全パイプライン化したダイナミックメモリの実施例である。前記のように本発明のダイナミックメモリは破壊読み出しである。したがって、読み出したデータはダイナミックメモリ内には存在しなくなる。図8ではダイナミックメモリをパイプライン化して、読み出した(Ra1,Rd1)直後に同一アドレスに読み出したデータの書き込み動作(Wa1,Wd1)を行っている。(A)は図5の実施例を使用した場合の波形である。(B)は図6あるいは図7で示したディレイドライト方式を用いた場合の実施例を使用した場合の波形である。前記のように図6あるいは図7の方式を使うと#3で新しいアクセス要求(Ra2)を受け付けることができるために、アクセスオーバーヘッドを1クロックに抑えることができる。なお、複数のバスマスタがあった場合、コヒーレンシを補償するために、上記再書き込みのための連続リードライト動作のうちのライトアクセスは最優先で行う必要がある。(以下、このパイプラインを用いた破壊読み出しメモリセルのデータ保持手法を、パイプライン再書き込み手法と呼ぶ。)
図8の方法はキャッシュメモリ110が使用できない場合のみならず、キャッシュメモリ110にValidビット制御が使用できない場合でも使用できる。さらに、キャッシュメモリ110が命令キャッシュであるときにも使用できる。
【0050】
図1のキャッシュメモリ110はダイナミックメモリ100と同一半導体チップ上に集積してもよいが、別チップにしてもよい。
【0051】
また、ダイナミックメモリ100をCPUの主記憶として使用する場合、キャッシュメモリ110はCPUの1次キャッシュとして実現するのが最適である。あるいはまた、CPUの1次キャッシュと2次キャッシュからなるメモリシステムとして実現してもよい。この場合、ダイナミックメモリ100から読み出されたデータは1次キャッシュに書き込まれ、1次キャッシュから前記データが消去される際には、前記データが2次キャッシュへ書き込まれ、2次キャッシュから前記データがリプレース際に、前記データがダイナミックメモリ100に書き戻されるように制御するのが最適である。前記のようにキャッシュメモリ110をCPUの1次キャッシュあるいは2次キャッシュと兼ねることで面積効率を高くできる。
【0052】
また、キャッシュメモリ110の数は限定しない。あるいはキャッシュメモリ110の中に複数のメモリ階層を持っていてもよい。命令キャッシュとデータキャッシュのように二つあってもよい。データキャッシュの場合には図1で記述したValidビットを使用したアクセス方法を使用し、命令キャッシュの場合には図8で記述した方法を用いてリードアクセス後にライトアクセスすればよい。あるいは、ダイナミックメモリ100に二つのモードも設け、本発明のダイナミックメモリ形式でアクセスするモードと従来のダイナミックメモリ形式でアクセスするモードを持っていてもよい。アクセス効率がよいモードをアクセス内容によって選択すれば、より効率的にダイナミックメモリ100を使用することができる。
【0053】
以上の実施例ではValidビットを使用して例を示したが、Validビットの有無は特に限定しない。また、キャッシュメモリ110のラインサイズ、ウェイ数、容量等も特に限定しない。ダイナミックメモリ100から破壊読み出しされたデータがキャッシュメモリ110に格納され、キャッシュメモリ110から追い出されたデータがダイナミックメモリ100に格納されるようにすればよい。2つ以上のキャッシュメモリがある場合には、それらのキャッシュメモリとダイナミックメモリの中でデータが常にあるように制御すればよい。要はダイナミックメモリを破壊読み出し、読み出したデータがダイナミックメモリを使用しているシステム全体の読み出したダイナミックメモリ以外のメモリ(本発明で言うキャッシュメモリ)に格納するように制御すればシステム構成は特に限定しない。
【0054】
また、ダイナミックメモリ100の数も限定しない。複数のダイナミックメモリチップに対して本発明の方式を適用してもよいし、複数のダイナミックメモリチップの一部のダイナミックメモリに本発明の方式を適用してもよい。
【0055】
さらに、キャッシュメモリ110のメモリセルの構造は特に限定しない。キャパシタンスに電荷をためてデータを記憶するダイナミック型でもよいし、ポリ抵抗あるいはTFTをもちいたSRAMメモリセルあるいは6つのMOSトランジスタを用いた完全CMOS SRAMメモリセルでもよい。
【0056】
以上の実施例1による発明を要約すれば下記の通りである。
【0057】
(1)複数のワード線と複数のビット線の交点に設けられた複数のダイナミック型メモリセルと、前記複数のビット線のそれぞれに対応して設けられた複数のセンスアンプと、前記複数のセンスアンプそれぞれに対応して設けられた複数の入出力線を有するダイナミックメモリを含む半導体装置において、前記ダイナミックメモリは、読み出し動作時に、前記ワード線を選択して対応する前記ダイナミック型メモリセルの信号を対応する前記複数のビット線に読み出した後、前記読み出し信号の前記ダイナミック型メモリセルへの再書き込み期間に移行せずに、前記複数のセンスアンプが前記ビット線に読み出された信号を前記入出力線上で増幅した後、前記複数のビット線がプリチャージされる。(第1読み出しモード)
(2)さらに前記ダイナミックメモリは、対応するビット線にライトアンプをさらに備え、
前記ダイナミック型メモリセルへの書き込み動作時に、対応する前記ワード線を選択する直後あるいは直前あるいは同時に前記ライトアンプは書き込み信号を対応する前記ビット線に出力して、前記ダイナミック型メモリセルへ信号を書き込む。(第1書き込みモード)
(3)また、上記(1)から(2)の半導体装置はスタティック型メモリセルによって構成された少なくとも一つのキャッシュをさらに備え、前記ダイナミックメモリからのデータの読み出し動作において、前記読み出し方法で前記ダイナミックメモリからデータを読み出し、前記データは少なくとも一つの前記キャッシュに書き込まれ、前記全てのキャッシュから前記データが消去される際には、前記データが前記ダイナミックメモリへ書き戻す。
【0058】
(4)上記(1)から(3)に記載のダイナミックメモリダイナミックメモリを含む半導体装置において、複数のワード線のうち、アクセスすべきワード線を選択するためのロウアドレスを受けるアドレスラッチ回路を備え、前記アドレスラッチ回路は、所定周期を有する第1のクロック信号の変化点毎に前記ロウアドレスをラッチする。
【0059】
(5)さらに(4)のパイプライン化されたダイナミックメモリは、第1書き込みアクセス時に入力される第1書き込みアドレスと第1書き込みデータが入力されるライト遅延回路をさらに有し、前記第1書き込みアクセスに対応する前記ダイナミック型メモリセルへの書き込み動作は、第1書き込みアクセスに続く第2書き込みアクセス時にライト遅延回路に格納されている前記第1書き込みアドレスと前記第1書き込みデータに対して行う。
【0060】
(6)また(5)のダイナミックメモリは、アドレス比較器を有するフォワード回路をさらに備え、読み出しアクセスにおいて、前記フォワード回路は、入力される読み出しアドレスを前記第1書き込みアドレスと前記アドレス比較器により比較し、第1書き込みアクセスと第2書き込みアクセスの間に前記第1書き込みアドレスと同じアドレスの読み出しアクセスがあった場合には、第1書き込みデータを前記読み出しアクセスに対応する読み出しデータとして出力する。
【0061】
<実施例2>
本発明のパイプライン化したDRAM(PDRAM)の、より具体的な実施例を図9に示す。M0はNMOSトランジスタで、キャパシタC0と共にメモリセルMC1を構成している。BL1〜BLnはビット線、WL1〜WLmがワード線で、上記メモリセルはワード線とビット線の交点の接続されている。(なお、例えば「超LSIメモリ」、伊藤清男著、培風館、1994発行の90頁に記述されているような折り返し型ビット線配置方法では、ビット線とワード線の交点にかならずメモリセルが接続されているとは限らない。本発明では特にこれらのビット線配置方法は図9のものに限定するものではない。) RAMPはリードアンプ、WAMPはライトアンプ、LX-DECはワード線デコーダ(ワード線ドライバ回路を含む)である。SARY1〜SARYxは上記した回路等で構成されたサブアレイである。WDATALはライトデータラッチ、RDATALはリードデータラッチ、WSELはライトデータセレクタ、RSELはリードデータセレクタ、Y-DECはYデコーダ(Yドライバも含む)、Y-ADRLはYアドレスラッチ、GX-DECはグローバルワード線デコーダ(グローバルワード線ドライバを含むロウデコーダ)、X-ADRLはXアドレスラッチ(ロウアドレスラッチ回路)、CRLはタイミング制御回路、GWL1〜GWLzはグローバルワード線、DI1〜DInは入力データ、DO1〜DOnは出力データ、ADDはアドレス(アドレスはマルチプレクスされずに入力される)、WEはライトイネーブル、CLKはクロック、VPLはプレート電圧である。
【0062】
入力されたアドレスADDは、クロックCLKの周期ごとにX-ADRLとY-ADRLでラッチされ、GX-DECとY-DECでデコードされる。GX-DECでデコードした結果、グローバルワード線GWL1〜GWLzのうち一本が選択される。Y-DECはデコードした結果、サブアレイSARY1〜SARYxのうち一つを選択する。LX-DECにはグローバルビット線GWL1〜GWLzとY-DECのデコード結果が入力され、選択されたサブアレイの中のワード線WL1〜WLmのうちの一本を選択して駆動する。ワード線によって選択されるメモリセルの数は、出力あるいは入力データ本数nと同じである。
【0063】
読み出し時には、選択されたn個のメモリセルからの記憶情報をn個のリードアンプRAMPで増幅する。増幅したn本のデータDO1a〜DOnaは、リードデータセレクタRSELに入力される。RSELはYデコーダY-DECのから入力されるデコード信号に応じて、サブアレイSARY1〜SARYxからそれぞれ出力されるn本のデータDO1a〜DOnaを、リードデータラッチRDATALのn本の入力に選択して接続する。リードデータラッチRDATALに転送されたn本のデータは、クロックCLKに従ってリードデータラッチRDATALラッチされて、DO1〜DOnとしてパイプラインダイナミックメモリPDRAMの外に出力される。
【0064】
書き込み時には、入力データDI1〜DInはクロックCLKに従ってライトデータラッチRDATALでラッチされ、ライトデータセレクタWSELに入力される。ライトデータセレクタWSELは、YデコーダY-DECから入力されるデコード信号に応じて書き込み動作を行うサブアレイを選択し、ライトデータセレクタWSELからのn本のデータを、サブアレイSARY1〜SARYxのn本の入力DI1a〜DInaに選択して接続する。
【0065】
入力されたn本のデータDI1a〜DInaは、書き込み増幅器WAMPによって増幅され、ビット線を介して選択されたn個のメモリセルに記憶情報として書き込まれる。
【0066】
図9の実施例の構造で、クロックCLKの周期内の所定の期間だけワード線WL1からWLmをパルス駆動することによって、図3の(a)あるいは(b)で示した動作が実現できる。また、前記したように、再書き込みを行っていないために上記ワード線のパルス幅を短くすることができ、それによって決定されるパイプラインピッチ(クロックCLKの周期)を短くすることができる。図9の構造は基本的に図5の(a)の実施例の構造と同じであるため、読み出し方法および書き込み方法をタイミングチャートで書くと、図5の(b)や(c)と同じになる。
【0067】
なお、図9では前記したワード線分割の課題を、ワード線をグローバルワード線GWL1〜GWLmとワード線WL1〜WLmとに階層化することで解決している。ここではグローバルワード線GWL1〜GWLmとワード線WL1〜WLmの本数は同じ本数であるが、Yデコーダのデコードアドレスビット数を増やせば、グローバルワード線GWL1〜GWLmの本数をm本よりも減らすこともできる。
【0068】
なお、図9ではWAMPとRAMPの具体的な回路図例は示していないが、例えばWAMPには図4の303を使用することができ、RAMPには図4の302を使用することができる。また、図9ではWAMPとRAMPはビット線の両端に配置されているが、これは図面を見やすくするための処置であって、実際の回路のレイアウト配置はこの配置に限定されるものではない。WAMPとRAMPを図4の303と302のようにビット線の一端に接続するように配置してもよい。また、その場合、構成によってはライトデータセレクタWSELとリードデータセレクタRSELは共有できる場合があることは言うまでない。さらにまた、RAMPやWAMPの両端にビット線を接続して、それぞれのビット線上にメモリセルを接続する、いわゆるシェアドセンスアンプ方式を用いてもよい。上記のように、ビット線構造やRAMP、WAMP構造は、特に図9に図示したものに限定しない。その他、図9では、図4の301で示されたプリチャージ回路は特に図示していないが、これも図面を見やすくするための処置であって、適所にプリチャージ回路等のメモリ回路動作に必要な回路を付加してもよいことは言うまでない。
【0069】
<実施例3>
次に、図9等で示したパイプライン化したダイナミックメモリを使用した、リフレッシュフリーダイナミックメモリ(RFPDRAM)の実施例を説明する。
【0070】
図10がRFPDRAMの実施例を示す図である。PDRAMが図9等で示したパイプラインダイナミックメモリに相当する。ASEL、DISEL、WESELはそれぞれセレクタ、RFADDGはリフレッシュアドレスジェネレータ、RFDATLはリフレッシュデータラッチ(データラッチ回路)、REFSEQはリフレッシュシーケンサ、FF1はフリップフロップであり、それらの回路等でアクセス制御回路ACCRLを形成している。ここで、フリップフロップFF1は、一般に言うフリップフロップであり、出力Qは図面の記号で三角印で示されたクロック入力に入力されたクロックが、"L"から"H"に遷移した時点の入力Dを記憶してQに出力し、それ以外の状態ではQ出力を維持する。
【0071】
ADD、DI、DOはそれぞれPDRAMのアドレスおよびデータの入力、出力端子であり、それぞれPDRAMの容量と入出力ビット数に応じた所定のビット数で構成されている。一方、EADD、EDI、EDOはそれぞれRFPDRAMのアドレスおよびデータの入力、出力端子であり、それぞれの端子のビット数はPDRAMのADD、DI、DOと同じビット数で構成されている。また、WEおよびEWEはそれぞれPDRAMと、RFPDRAMへのライトイネーブル信号を示している。CLK、CLK1、CLK2はクロック信号あるいはクロック端子を示している。
【0072】
リフレッシュフリーダイナミックメモリRFPDRAMに入力されるアドレスEADDは、セレクタASELにリフレッシュアドレスジェネレータRFADDGの出力RFADDとともに入力され、セレクタ信号P1の値によってPDRAMのアドレスADDに選択接続される。また同様に、RFPDRAMに入力される入力データDIは、セレクタDISELにリフレッシュデータラッチRFDATLの出力RFDATとともに入力され、セレクタ信号P1の値によってPDRAMの入力データDIに選択接続される。さらに、RFPDRAMに入力されるライトイネーブル信号EWEは、セレクタWESELにリフレッシュシーケンサREFSEQの出力RFWEとともに入力され、セレクタ信号P1の値によってPDRAMのライトイネーブル信号WEに選択接続される。PDRAMの出力データDOはRFPDRAMの出力データEDOとリフレッシュデータラッチRFDATLに入力される。REFSEQはRFPDRAMに入力されるクロックCLK1およびCLK2を用いて、リフレッシュアドレスジェネレータRFADDGおよびリフレッシュデータラッチRFDATLとP1を制御することで、PDRAMのリフレッシュ動作に必要な制御を行う。図11に動作例のタイミングチャートを示す。
【0073】
クロックCLK1はクロックCLK2の2倍の周波数のクロックであり、その立ち上がりタイミングは一致している。EADD、EDI、EDO、EWE等に接続されたRFPDRAMを使用するデバイスや回路等(簡単のため図19には図示していない。以下、これを外部デバイスと呼び、その外部デバイスからRFPDRAMへのアクセス要求を外部アクセス要求と呼ぶ。)からの外部アクセス要求は、CLK2の立ち上がりタイミングで取りこまれる。図10のFF1の出力P1はCLK2の立ち上がりタイミングで"H"になっているため、CLK2の立ち上がりタイミングで取りこまれたアクセス要求はそのままPDRAMに伝送されて処理される。ここでは、#1でリード要求(Ra1)、#3でライト要求(Wa2)、#5でリード要求(Ra3)、#7でリード要求(Ra4)、#9でリード要求(Ra5)が外部アクセス要求として取りこまれ、それらのアクセス要求に対応して、RFPDRAMは、#3でリードデータ(Rd1)出力確定、#3でライトデータ(Wd2)入力、#7でリードデータ(Rd3)出力確定、#9でリードデータ(Rd4)出力確定、#11でリードデータ(Rd5)出力確定している。リードに関しては、CLK1の周波数換算でレイテンシ2、CLK2の周波数換算でレイテンシ1で、ノーウエイトで出力されている。ライトに関しては、レイテンシ0である。
【0074】
上記したように、パイプラインダイナミックメモリPDRAMへの外部アクセス要求は、CLK1周期換算では2周期に1回の割合でしか発生しないことになる。図11では、#1、#3、#5、#7、…のように、奇数番目のクロック立ち上がりエッジでのみ外部アクセス要求が発生する。PDRAMは完全パイプライン化されているため、PDRAMへのアクセス要求はCLK1周期で毎サイクル行うことができる。それに対して、図10の構成では上記したように、外部アクセス要求はCLK1周期でたかだか2周期に1回しか発行されない。これらの外部アクセス要求の合間(#4、#6、#8、#10、…で示されるパイプラインの空きスロット)にアクセス制御回路ACCRLがPDRAMへリフレッシュ動作のためのアクセス要求を発行する。以下、その方法を図11を用いて詳しく説明する。
【0075】
アクセス制御回路ACCRLは、パイプラインダイナミックメモリPDRAM内に記憶された情報が消去されないように、ある時間間隔でリフレッシュ要求をPDRAMに発行する。図11では、リフレッシュアドレスジェネレータRFADDGによって発生されたリフレッシュアドレスRFADDに対して、#4でリード要求(Ra0)を発行し、#6でそのリードデータ(Rd0)を受け取り、リフレッシュデータラッチRFDATLに格納する。次に、#8では先ほどのリード要求した同じアドレスにライト要求(Wa0)を発行し、RFDATL に格納されているデータ(Wd0)を書きこんでいる。上記動作によって、PDRAM内のメモリセルの再書き込みが実行される。その後、RFADDGはRFADDをカウントアップする。この動作が所定時間間隔でリフレッシュシーケンサREFSEQによって繰り返されることで、PDRAM内の全メモリセルのリフレッシュ動作が行われる。
【0076】
上記実施例により、キャパシタンスに溜まった電荷によって情報を記憶するダイナミック型メモリに特有なリフレッシュ動作を、ダイナミックメモリを使用するデバイスや回路等から完全に隠蔽できる。また、アクセス速度(ここではレイテンシのこと。)についても本来のパイプラインダイナミックメモリPDRAMと同じ性能が得られる。(図11の実施例ではリードレイテンシはCLK1周期換算で2であり、速度劣化していない。)一方、RFPDRAMへ発行できる最高アクセス要求頻度(freq1)は、PDRAMが本来受け付けることが可能な最高アクセス頻度(freq)の半分になってしまっている。しかし、パイプライン化によってPDRAMのパイプライン周波数(CLK1の周波数)は十分に高速化できるため、RFPDRAMへのアクセス要求頻度(freq1)も問題のないレベルまで高速化できる。たとえば、リフレッシュフリーダイナミックメモリRFPDRAMを使用する外部デバイスとして、マイクロプロセッサが300MHzで動作している場合、CLKを600MHz、CLK1を300MHzで使用できる。
【0077】
図9〜図11ではパイプラインダイナミックメモリPDRAMのリードレイテンシが2、ライトレイテンシが0の場合の例を示したが、上記リフレッシュの隠蔽手法は特にこのレイテンシの場合に使用が限定されるものではないことは言うまでない。ただし、PDRAMのCLK1周期換算したレイテンシをLとした場合、外部アクセス要求に対するデータの授受がCLK2周期で行われるとすれば、CLK1周期換算のレイテンシL1は、L/2で小数点以下を切り上げた数になる。したがって、外部アクセス要求に対するデータの授受のCLK1周期換算レイテンシは、Lが奇数の場合には、L+1になる。
【0078】
<実施例4>
リフレッシュの隠蔽手法は、特に図11で示した方法に限定するものではない。図11の実施例では、PDRAMのパイプライン周期を外部アクセス要求の周期の半分にし、外部アクセス要求はダイナミックメモリのパイプラインクロックCLK1に対して、#1、#3、#5、#7、…の位相に限定することで、CLK1に対して、#4、#6、#8、#10の位相でリフレッシュ動作を行う機会を得ている。すなわち、外部アクセス要求の位相と、リフレッシュ動作に伴うアクセス要求の位相を、異なる位相に限定して両者の衝突を避けている。このように異なる位相で両者のアクセスを制御することで、両者のアクセス衝突を避ければよい。
【0079】
さらにまた、PDRAMのパイプライン周期を外部アクセス要求の周期よりも短くしすれば、外部アクセス要求が絶え間無く発行されていても、PDRAMのリフレッシュ機会を確実に得ることができる。すなわち、図11の実施例のようにのパイプライン周波数CLK1と、外部アクセス要求を受け付ける周期に対応するクロック信号CLK2の周波数の比は、特に2倍でなくてもよい。例えばCLK1の周波数とCLK2の周波数の比は、1よりも大きな有理数であればよく、3/2倍でもよい。この場合、CLK2周期で毎周期外部アクセス要求がRFPDRAMに発行された場合でも、CLK1周期換算で3周期に1回はPDRAMへの外部アクセス要求がない期間が存在することになる。また、先の周波数比が1000/999倍であった場合、CLK1周期換算で1000周期に1回はPDRAMへの外部アクセス要求がない期間が存在することになる。リフレッシュシーケンサREFSEQは、外部アクセス要求のないタイミングでリフレッシュに必要なアクセス要求をPDRAMに発行すればよい。一般にリフレッシュ周期は外部アクセス要求の周期に比べて長いために、CLK1の周波数とCLK2の周波数の比が1000/999倍程度しか異なっていなくても、CLK1の周波数は十分に高速にできるために、十分な周期でリフレッシュ動作を行うことができる。
【0080】
例として図12および図13に、CLK1の周波数とCLK2の周波数比が3/2の場合のより詳しい実施例を示す。図12の実施例は、図10の実施例と比較すると以下の2点が異なっている。(1)図10のセレクタASEL、DISEL、WESELのセレクト信号P1を発生するフリップフロップFF1を生成する回路が、図12ではフリップフロップFF2、FF3、FF4で構成されており、P3がセレクタASEL、DISEL、WESELのセレクト信号になっている。(2)EADD、EDI、EDO、EWEはそれぞれフリップフロップFF5、フリップフロップFF6、ラッチTL1、フリップフロップFF7を介してセレクタASEL、セレクタDISEL、のDO端子、セレクタWESELに接続されている。ここで、ラッチTL1は、出力Qはクロック入力Eが"H"になっている限りDに入力されたデータに従う。クロック入力Eが"L"になると、出力Qはクロック入力Eが"H"になるまでQ出力を維持する。図10の場合と同様に、リフレッシュシーケンサREFSEQはRFPDRAMに入力されるクロックCLK1およびCLK2を用いて、リフレッシュアドレスジェネレータRFADDGおよびリフレッシュデータラッチRFDATLとP2、P3を制御することで、PDRAMのリフレッシュ動作に必要な制御を行う。図13に動作例のタイミングチャートを示す。
【0081】
クロックCLK1はクロックCLK2の1.5倍の周波数のクロックであり、図13で示されるような位相関係になっている。外部アクセス要求は、図11の場合と同様にフリップフロップFF5、FF6、FF7によってCLK2の立ち上がりタイミングで取りこまれる。セレクタASEL、DISEL、WESELのセレクト信号P3は、図13で示されたような波形になるため、CLK2の立ち上がりタイミングで取りこまれた外部アクセス要求は、そのタイミング以降のCLK1の立ち上がりタイミングでパイプラインダイナミックメモリPDRAMに投入される。ここでは、CLK2の#1でリード要求(Ra1)、#2でライト要求(Wa2)、#3でリード要求(Ra3)、#4でリード要求(Ra4)、#5でリード要求(Ra5)が外部アクセス要求として取りこまれ、CLK1の#2でリード要求(Ra1)、#3でライト要求(Wa2)、#5でリード要求(Ra3)、#6でリード要求(Ra4)、#8でリード要求(Ra5)が、PDRAMに取りこまれる。それらのアクセス要求に対応して、RFPDRAMは、CLK1の#4でリードデータ(Rd1)出力確定、#3でライトデータ(Wd2)入力、#7でリードデータ(Rd3)出力確定、#8でリードデータ(Rd4)出力確定、#10でリードデータ(Rd5)出力確定している。それぞれのリードデータは、図13に示したP2のクロックが入力されたラッチTL1を介して、CLK2の#3でリードデータ(Rd1)出力確定、#5でリードデータ(Rd3)出力確定、#6でリードデータ(Rd4)出力確定、#7でリードデータ(Rd5)出力確定された状態で出力される。リードに関しては、CLK2の周波数換算でレイテンシ2、CLK1の周波数換算でレイテンシ3で、ノーウエイトで出力されている。ライトに関しては、レイテンシ0である。
【0082】
上記したようの、パイプラインダイナミックメモリPDRAMへの外部アクセス要求は、CLK1周期換算では3周期に2回の割合でしか発生しないことになる。図13では、CLK1の#2、#3、#5、#6、…のように、3回に2回のクロック立ち上がりエッジでのみ外部アクセス要求に対するアクセス要求が発生する。PDRAMは完全パイプライン化されているため、PDRAMへのアクセス要求はCLK1周期で毎サイクル行うことができる。それに対して、図12や図13の構成では上記したように、外部アクセス要求はCLK1周期でたかだか3周期に2回しか発行されない。これらの外部アクセス要求の合間(CLK1の#4、#7、…で示されるパイプラインの空きスロット)にアクセス制御回路ACCRLがPDRAMへリフレッシュ動作のためのアクセス要求を発行する。以下、その方法を図13を用いて詳しく説明する。
【0083】
アクセス制御回路ACCRLは、パイプラインダイナミックメモリPDRAM内に記憶された情報が消去されないように、ある時間間隔でリフレッシュ要求をPDRAMに発行する。図13では、リフレッシュアドレスジェネレータRFADDGによって発生されたリフレッシュアドレスに対して、CLK1の#4でリード要求(Ra0)を発行し、CLK1の#6でそのリードデータ(Rd0)を受け取り、リフレッシュデータラッチRFDATLに格納する。次に、CLK1の#7では先ほどのリード要求した同じアドレスにライト要求(Wa0)を発行し、リフレッシュデータラッチRFDATL に格納されているデータ(Wd0)を書きこんでいる。上記動作によって、PDRAM内のメモリセルの再書き込みが実行される。その後、リフレッシュアドレスジェネレータRFADDGはリフレッシュアドレスRFADDをカウントアップする。この動作が所定時間間隔でリフレッシュシーケンサREFSEQによって繰り返されることで、PDRAM内の全メモリセルのリフレッシュ動作が行われる。
【0084】
図11や図12で示した場合と同様に、図12および図13で示した実施例によって、キャパシタンスに溜まった電荷によって情報を記憶するダイナミック型メモリに特有なリフレッシュ動作を、ダイナミックメモリを使用するデバイスや回路等から完全に隠蔽できる。アクセス速度(ここではレイテンシのこと。)についてはリードレイテンシがCLK1換算で3、CLK2換算で2となる。リードレイテンシが、PDRAMの本来のレイテンシから1だけ増加するだけで、リフレッシュを完全に隠蔽できている。
【0085】
上記以外の方法でも、完全パイプライン化されているという特徴により、外部アクセス要求の合間にリフレッシュのためのリード要求とライト要求を繰り返してリフレッシュを行うことができる。その他、完全パイプライン化されているという特徴を用いれば、外部アクセス要求を乱すことなく種々の方法のリフレッシュ手段があり得る。種々のリフレッシュ手法を組み合わせてもよい。当然、外部アクセス要求とリフレッシュ要求が衝突した場合に、外部アクセス要求を遅延させることが許されるのであれば、さらに様々なリフレッシュ手法があり得ることは言うまでない。
【0086】
<実施例5>
図10や図12で示したリフレッシュフリーダイナミックメモリRFPDRAMの実施例では、クロックCLK1とCLK2を外部から入力しているが、特にそのクロック供給形態に限定するものではない。CLK2をCLK1から分周回路等を用いて生成してもよいし、CLK2からCLK1をPLL(フェーズ・ロックド・ループ)等の逓倍回路(クロック・ダブラー)を用いて生成してもよい。図14に図10にPLLを用いた場合のクロック分配系をを付加した場合の実施例を示す。CLKGENはクロック発生回路で、ここではPLL構造で構成されたクロックダブラーである。CLKSYSはPDRAM内のクロック分配系を示しており、特に限定しないが、いわゆるHツリー方式のクロック分配系を用いている。406のように三角の記号で示したものはクロックバッファで、405a〜405gで示されたCLK1を用いるラッチ回路(ここでは、ラッチやフリップフロップあるいはセレクタ等のクロックを使用する回路を代表してラッチ回路と記している。)にゼロスキューでCLK1を分配している。そのCLK1はクロック発生手段403にもラッチ回路405a〜405gと同位相でCLK1aとして分配されている。さらにクロック発生回路CLKGENにはクロックCLK2も入力されている。クロック発生回路CLKGENはPLL構造を持っているため、位相比較回路を備え、(1)CLK1aの位相とCLK2aの位相は同じで、(2)CLK1aの周波数はCLK2の周波数の2倍、という条件を持たすようにCLK1を発生する。
【0087】
上記したように、PDRAM内において、クロック分解系を用いてゼロスキューで分配されているCLK1をクロック発生回路にCLK1aとして同じくゼロスキューでフィードバックすることで、RFPDRAMに入力されるCLK2の位相と、405a〜405gのラッチ回路が受け取るCLK1の位相を、同じ位相にすることができる。これにより、ADD、EADD、DO、EDO、DI、EDI、WE、EWE等の各種信号のセットアップマージンやホールドマージンを確保しやすくなり、PDRAMをより高い周波数で動作させることができる。特にPDRAMの面積が大きくなった場合、クロック発生回路CLKGENの出力点でのクロックと、405a〜405gのラッチ回路が受け取るクロックとの間に大きなディレイが生じるために、上記実施例の方法の効果が大きくなる。
【0088】
なお、図14で示したクロック発生回路はPLL構造に限定しない。DLL(ディレイ・ドックド・ループ)やSMD(シンクロナス・ミラー・ディレイ)等の構造でもよい。入力される二つのクロック位相を一致させて、所望の周波数のクロックを発生できる回路であればその構造は限定しない。
【0089】
<実施例6>
実施例3や実施例4のリフレッシュ隠蔽方法におけるリフレッシュ処理は、リフレッシュ以外のPDRAMへのアクセスに対する処理でも用いることができる。例えば、図8で示したパイプライン再書き込み手法の再書き込みアクセスに対しても用いることができる。すなわち、PDRAMの実力で決まるパイプライン周波数よりも外部アクセス周波数が小さくなるような仕様でPDRAMを使用し、余った時間に上記再書き込み動作を行えばよい。キャッシュ110を用いないで、破壊読み出しメモリセルを用いたダイナミックメモリの完全高速パイプライン化が実現できる。
【0090】
なお、パイプライン段数およびパイプラインの切り方については、図9や、後述する図15の方法に限定するものではない。例えばワード線デコーダLX-DECにクロックCLKを入力してラッチ機能を設けたりしてパイプライン段数を増やしたり、リードアンプRAMPやライトアンプWAMPをパイプラインラッチとして使用してパイプライン段数を増やしてもよい。パイプライン段数を増やした方がパイプラインピッチを短くでき、動作周波数を高くすることができることは言うまでない。
【0091】
さらにまた、以上のパイプラインダイナミックメモリPDRAMの実施例では、メモリセルからの出力データをPDRAM外に出力する際にラッチ(以下、出力ラッチと呼ぶ)を介して出力している例を示した。例えば、図9の実施例では、出力ラッチとしてリードデータラッチRDATLが具備されている。しかし、本発明のリフレッシュ隠蔽方法の実現にはこの出力ラッチの有無は特に限定しない。すなわち、フロー・スルー(Flow-Throgh)形式の、同期式ダイナミックメモリにも適用できる。もちろん、出力ラッチの有無によってレイテンシが変わるのは言うまでない。
【0092】
また、図9の実施例において、図6や図7の実施例で例示したようなディレイドライト機能を付加することもでき、その場合でも図10から図14で示した本発明のリフレッシュ隠蔽方法が少量の回路を追加するだけで実現できることは言うまでない。ライトレイテンシとリードレイテンシを合わせるように制御することで、CPU等の複数のバスマスタからの複数のアクセス要求やリフレッシュ要求を、パイプラインを乱すことなくダイナミックメモリへ投入できる。図9では出力データ線DOと入力データ線DIが分かれている形式であるが、出力データ線DOと入力データ線DIが、入出力データ線として共用されている場合、入力データと出力データを時分割で分離して伝達させる必要があるためにディレイドライト機能の効果が大きくなる。また、いわゆるリード・モディファイ・ライトアクセス時には、リードされたデータを用いて処理した後でそのデータをライトする必要があるため、リードレイテンシとライトレイテンシが同じである方がパイプライン充填率を高めることができる。
【0093】
また、上記リフレッシュ隠蔽手法は、パイプライン化されているダイナミックメモリであれば、図9等の実施例で示したパイプラインダイナミックメモリPDRAMでなくても実施できることは言うまでない。PDRAMが図3で示したような再書き込みを行わない構造である必要もない。再書き込みを行う場合、図2で示すようにワード線のアサート期間が長くなるためにパイプラインピッチが長くなり、パイプライン周波数を高くし難い等の課題はある。しかし、図10および図12のリフレッシュデータラッチRFDATLは必要なく、リフレッシュシーケンサREFSEQは単に、リフレッシュアドレスジェネレータRFADDGの発生したアドレスにリードアクセス要求を発行するだけでよい。
【0094】
さらにまた、上記では、パイプライン動作を用いたリフレッシュ隠蔽方法を述べたが、パイプライン化されていないダイナミックメモリでも上記リフレッシュ隠蔽方法を用いることができる。たとえば、いわゆるシンクロナスダイナミックメモリ(SDRAM)でも実現できる。(なお、パイプライン化の有無に関して、カラムアクセスに関してはSDRAMでもパイプライン化されているが、本願ではロウアクセスに関するパイプライン化を意味している。)すなわち、回路の実力で決まるサイクル時間よりも外部仕様のサイクル時間を大きく設定し、余った時間にリフレッシュ動作を行えばよい。たとえばSDRAMの外部アクセス要求の周期を、本来のSDRAMの実行できるアクセス周期の2倍にすればよい。すなわち、バンクアクティブコマンドから同一バンクへのバンクアクティブコマンドまでの時間間隔 (tRC=tRAS+tRP)の仕様を、回路の実力の2倍にすればよい。すると、その時間間隔(2×tRC)では2回のバンクアクティブコマンドからプリチャージコマンドを実行できることになる。その2回のバンクアクティブコマンドからプリチャージコマンドのうち、1回は外部アクセス要求のための処理を行い、他の1回はリフレッシュが必要な場合にリフレッシュ動作に必要な処理を行う。パイプライン化されていないため、サイクル時間は2倍になり、レイテンシは上記リフレッシュ動作時にアクセスが来たときの外部アクセスの遅延を含めると2倍近くになる。仕様的には性能がおちることになるが、リフレッシュを完全に隠蔽することができるため、外部制御が楽で使い勝手のよいメモリが実現できる。
【0095】
<実施例7>
図9の実施例では、情報を記憶するメモリセルとして、一つのNMOSトランジスタとキャパシタからなるメモリセルによって情報が記憶されているメモリセルを用いた。すなわち、読み出すことによってメモリセル内の情報が破壊されてしまう破壊読み出しメモリセル(以下、1Tメモリセルと呼ぶ)を用いていると仮定した。上記発明は特にそのメモリセル構造に限定されるものではない。例えば、1970 IEEE International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers, pp. 42-43に記述されているような3つのNMOSトランジスタからなるメモリセルによって情報を記憶する非破壊読み出しメモリセル(以下、3Tメモリセルと呼ぶ)を用いたダイナミックメモリにも適用できる。その他、4つのMOSトランジスタを使用したメモリセルなど多くのダイナミック型メモリセルが考えられる。また、3Tメモリセルにおいても、ワード線をリード用ワード線とライト用ワード線に分けた場合と共通化した場合、あるいは、ビット線をリード用ビット線とライト用ビット線に分けた場合と共通化した場合等、種種の制御方法があり得る。それらメモリセルの構造や制御方法等は限定しない。
【0096】
図15に上記3Tメモリセルを用いた場合のパイプラインダイナミックメモリPDRAMの実施例を示す。MC2が3Tメモリセルである。NMOSトランジスタM2のゲート端子に蓄えられた電荷によって情報を記憶する。ワード線WL1〜WLmおよびグローバルワード線GWL1〜GWLzは3値レベルで制御される。中間電位では、NMOSトランジスタM1を通して、NMOSトランジスタM2のゲート電位に応じた電流をビット線RBLに読み出す。書きこみ時には、ワード線WLに高電位を印加してNMOSトランジスタM3をオンさせて、ビット線WBLから、NMOSトランジスタM2のゲート電位に直接電圧を印加する。
【0097】
図15の実施例は、図9の実施例と比較すると以下の2点が異なっている。(1)図9のメモリセルが1Tメモリセルであるのに対して、図15では3Tメモリセルを用いている。そのため、ビット線がリード用ビット線RBL1〜RBLxとライト用ビット線WBL1〜WBLxに分かれている。(2)図9では書きこみデータはライトデータセレクタWSELの後にライトアンプWAMPで増幅されてビット線に伝送されており、また、ビット線上の読み出しデータはリードアンプで増幅されてからリードデータセレクタRSELを介して出力されている。しかし、図15では、書きこみデータはライトアンプWAMPで増幅された後にライトデータセレクタWSELを介してビット線に伝送されており、また、ビット線上の読み出しデータはリードデータセレクタRSELを介してリードアンプで増幅されてから出力されている。したがって、一つのリードアンプRAMPあるいはライトアンプWAMPは複数のYアドレスで共有されている。リードアンプRAMPとライトアンプWAMPを図15のように複数のビット線で共有化している。このようなリードアンプRAMPあるいはライトアンプWAMPの共有化はそれぞれのアンプのレイアウトに使用できる面積を、共有しない場合に比較して大きくできる等の利点がある。大きな面積をアンプのレイアウトに使用することにより、アンプの種類の選択範囲が増え、電流センスアンプ等の高速なアンプを用いることができる。
【0098】
また、3Tメモリセルとして、例えば伊藤清男著、1994年 培風館発行、「超LSIメモリ」の13ページの図1.10(a)にあるような、リード用ワード線とライト用ワード線を持つような3Tメモリセルを使用した場合、図15のようなワード線の階層化は、リード用ワード線に対しては不要になる。これは、3Tメモリセルが非破壊読み出しセルであるという特徴から、ワード線がアサートされても読み出されないメモリセルが存在することが許されるからである。
【0099】
なお、図9と同様に図15では、WAMPとRAMPの具体的な回路図例は示していないが、RAMP、WAMP構造やビット線構造は、特に図15に図示した方法に限定しない。また、図15ではWAMPとRAMPはビット線の両端に配置されているが、これは図面を見やすくするための処置であって、実際の回路のレイアウト配置はこの配置に限定されるものではない。WAMPとRAMPを図4の303と302のようにビット線の一端に接続するように配置してもよい。また、その場合、構成によってはライトデータセレクタWSELとリードデータセレクタRSELは共有できる場合があることは言うまでない。さらにまた、RAMPやWAMPの両端にビット線を接続して、それぞれのビット線上にメモリセルを接続する、いわゆるシェアドセンスアンプ方式を用いてもよい。その他、図15では、図4の301で示されたプリチャージ回路は特に図示していないが、これも図面を見やすくするための処置であって、適所にプリチャージ回路等のメモリ回路動作に必要な回路を付加してもよいことは言うまでない。
【0100】
図15に示したような3Tメモリセルのような非破壊読み出しメモリセルを、本発明のパイプラインダイナミックメモリPDRAMに用いても、図3の(a)のようなtRASが不要でtRPの短い読み出し動作を実現できる。この場合、キャッシュメモリ110を用いなくてもよいという利点がある。図5から図14で示した本発明のパイプライン動作についても、1Tメモリセルを使用した場合と同様に実現できることは言うまでない。
【0101】
図16は、本発明のリフレッシュフリーダイナミックメモリRFPDRAMを搭載した、DRAM混載ロジックLSI(EMCHP)の実施例を示す図である。メモリセルには図15で示した3Tメモリセルを用いている。なお、図15や図16等のMOSの記号で、M512のようにゲート電極を白抜きのボックスで示しているものは例えば6.5nm程度の厚いゲート酸化膜で構成された高耐圧MOSトランジスタであることを示し、M522のようにゲート電極をラインで示しているものは例えば3.2nm程度の薄いゲート酸化膜で構成されたMOSトランジスタであることを示している。
【0102】
VDD、VSSはコア電源およびその接地であり、VDDQ、VSSQはI/O電源およびその接地を示している。例えばコア電源電圧は1.0Vであり、I/O電源電圧は3.3Vである。OUT0〜OUTxは出力信号を、IN0〜INyは入力信号を、I/O0〜I/Ozは入出力信号をそれぞれ示している。また、PADCBはチップ内部の信号とチップ外部とのインターフェースを取るためのI/O回路を示しており、511は出力回路の最終段ドライバ回路を示しており、厚いゲート酸化膜で構成されたPMOSトランジスタM512と、NMOSトランジスタM513で構成されている。514は入力回路の初段バッファ回路を示しており、厚いゲート酸化膜で構成されたPMOSトランジスタM515と、NMOSトランジスタM516で構成されている。(514では簡単化のため省略したが、M515やM516のゲート電極に接続される、静電破壊を防ぐためのいわゆるESD素子内のMOSトランジスタについても、厚いゲート酸化膜のMOSトランジスタで構成するのがよい。)LCBはインバータやNANDゲート等で構成されたロジック回路を示している。図16では、薄いゲート酸化膜厚で構成されたPMOSトランジスタM522と、NMOSトランジスタM523で構成されたインバータ回路521を例示しているが、LCBの例としてはマイクロプロセッサやDSP等の1万ゲート以上の論理回路や、SRAM等のを挙げることができる。また、RFPDRAM中の3TメモリセルにもI/O回路中に用いたゲート酸化膜厚の厚いMOSトランジスタと同一のMOSトランジスタを用いている。(図15のMC2中のNMOSトランジスタM1とM3には高い電圧が印可される可能性があるために、ゲート酸化膜の厚いMOSトランジスタで構成する必要があるが、M2には高い電圧は印加されないので、プロセス的な問題とメモリセルサイズに応じて、ゲート酸化膜の薄いMOSトランジスタで構成してもよい。)
図16では、MOSトランジスタのゲート・ソース電極間あるいはゲート・ドレイン電極間に高い電圧が印加される可能性のあるMOSトランジスタは、ゲート酸化膜の厚いMOSトランジスタで構成し、それ以外のMOSトランジスタには、できるだけ高速化にためにゲート酸化膜厚の薄いMOSトランジスタを用いている。図16のようにゲート酸化膜を使い分けることによって、ゲート酸化膜厚の種類をチップ全体で2種類だけに限定でき、製造プロセスを簡単化できる。
【0103】
一般に、1Tメモリセルを用いたダイナミックメモリとロジックLSIを一つのチップに混載した場合、その製造プロセスが複雑化するという欠点がある。しかし、本発明のようにダイナミックメモリのメモリセルに3Tメモリセルを用いれば、メモリセル内にキャパシタを構成する必要がないために、1Tメモリセルを用いた場合と比較してプロセスの複雑化を少なく抑えることができる。また、図16のように構成することで、メモリセルを構成するトランジスタを、ロジックLSIやI/O回路で用いているトランジスタと共通化できる。(ただし、高速化とメモリセルの高リテンション時間化を両立するために、3Tメモリセル内のトランジスタの拡散層はシリサイド化しないで、それ以外のトランジスタの拡散層は拡散層抵抗の低抵抗化のためにシリサイド化する等の処置は行ってもよい。)これにより、ロジックLSIにダイナミックメモリを混載することによるプロセスの複雑化を極めて少なくすることができる。
【0104】
以上の実施例による作用効果の主なものは以下の通りである。
【0105】
(1)ダイナミックメモリを破壊読み出しとすることで、ビット線にデータを増幅する必要がなく、tRASに相当する時間が必要ない。プリチャージ時間については、ビット線は小振幅のままであるため短い時間でプリチャージが可能になる。
【0106】
(2)(1)によりサイクルタイムtRCを従来のダイナミックメモリと比較して大幅に短くできる。この特徴を使用するとダイナミックメモリをパイプラインSRAMのようにパイプラインした場合にそのパイプラインピッチを小さくできる。
【0107】
(3)ダイナミックメモリのセンスアンプには、直接センス方式のセンスアンプを利用した場合には、高速な増幅動作が可能である。従来のダイナミックメモリでこの直接センス方式を使用した場合、そのセンスアンプと並列にメモリセルへの再書き込み用のアンプが必要になるが、本発明のダイナミックメモリでは必要ないためチップ面積が低減できる。
【0108】
(4)以上の構成によりパイプライン化したダイナミックメモリにおいて、そのリードレイテンシとライトレイテンシを同じにできる。これにより、リードとライトが混在した場合のパイプライン充填率を高めることができる。
【0109】
(5)ダイナミックメモリをパイプライン化させ、外部にアクセス制御回路ACCRLを付加することで、ダイナミックメモリのリフレッシュ動作を隠蔽することができる。
【0110】
(6)3Tメモリセルを用いれば、上記効果を、キャッシュ110を用いないで実現できる。
【0111】
【発明の効果】
本発明の主な効果によると、ダイナミックメモリセルの読み出し・書き込みのサイクルタイムを短縮できるので、高速動作のできるDRAMが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す図である。
【図2】従来のダイナミックメモリの動作波形を示す図である。
【図3】本発明のダイナミックメモリの動作波形の一例を示す図である。
【図4】直接センス方式のセンスアンプ回路を用いた本発明のダイナミックメモリの実施例を示す図である。
【図5】本発明のパイプライン化したダイナミックメモリの実施例と、その動作波形を示す図である。
【図6】本発明のライトレイテンシとリードレイテンシが同じパイプライン化したダイナミックメモリの実施例と、その動作波形を示す図である。
【図7】図5の実施例にフォワード回路をさらに付加した時の実施例を示す図である。
【図8】キャッシュメモリが使用できない場合の本発明のダイナミックメモリの使用例を示す図である。
【図9】パイプライン化したダイナミックメモリの実施例の図である。
【図10】パイプラインダイナミックメモリPDRAMに、リフレッシュ動作を外部から隠蔽するアクセス制御回路を付加したリフレッシュフリーダイナミックメモリの実施例の図である。
【図11】図10の動作タイミングチャートの実施例の図である。
【図12】図10のCLK1とCLK2の周波数比を3/2にした場合のリフレッシュフリーダイナミックメモリの実施例の図である。
【図13】図12の動作タイミングチャートの実施例の図である。
【図14】図10のクロック発生回路を付加した場合の実施例を示す図である。
【図15】パイプライン化した3Tメモリセルを用いるダイナミックメモリの実施例の図である。
【図16】本発明のリフレッシュフリーダイナミックメモリを搭載したDRAM混載ロジックLSIの実施例を示す図である。
【符号の説明】
100……ダイナミックメモリ、 110……キャッシュメモリ、 200……完全パイプラインダイナミックメモリ、 220……ノーウェイトアクセス完全パイプラインダイナミックメモリ、 230……フォワード回路付きノーウェイトアクセス完全パイプラインダイナミックメモリ、 300……直接センス方式のセンスアンプを用いたダイナミックメモリ、 Ra1、Ra2……リードアドレス、 Wa1、Wa2……ライトアドレス、 Rd1、Rd2……リードデータ、 Wd1、Wd2……ライトデータ、PDRAM……パイプラインダイナミックメモリ、PFPDRAM……リフレッシュフリーダイナミックメモリ、M0……NMOSトランジスタ、C0……キャパシタ、MC1……1Tメモリセル、WL1〜WLm……ワード線、BL1〜BLn……ビット線、RAMP……リードアンプ、WAMP……ライトアンプ、LX-DEC……ワード線デコーダ(ワード線ドライバ回路を含む)、SARY1〜SARYx……サブアレイ、WDATAL……ライトデータラッチ、RDATAL……リードデータラッチ、WSEL……ライトデータセレクタ、RSEL……リードデータセレクタ、Y-DEC……Yデコーダ(Yドライバも含む)、Y-ADRL……Yアドレスラッチ、GX-DEC……グローバルワード線デコーダ(グローバルワード線ドライバ)、X-ADRL……Xアドレスラッチ、CRL……タイミング制御回路、GWL1〜GWLz……グローバルワード線、DI1〜DIn……入力データ、DO1〜DOn……出力データ、ADD……アドレス、WE……ライトイネーブル、CLK……クロック、VPL……プレート電圧、ASEL……アドレスセレクタ、DISEL……入力データセレクタ、WESEL……ライトイネーブル信号セレクタ、RFADDG……リフレッシュアドレスジェネレータ、RFDATL……リフレッシュデータラッチ、REFSEQ……リフレッシュシーケンサ、FF1〜FF7……フリップフロップ、ACCRL……アクセス制御回路、ADDおよびEADD……アドレス、DIおよびEDI……入力データ、DOおよびEDO……出力データ、TL1……ラッチ、CLKGEN……クロック発生回路、CLKSYS……クロック分配系、406……クロックバッファ、405a〜405g……クロックCLKを用いるラッチ回路(ここでは、ラッチ、フリップフロップ、レジスタあるいはセレクタ等のクロックを使用する回路を代表してラッチ回路と記している。)、MC2……3Tメモリセル、M1〜M3……NMOSトランジスタ、WBL1〜WBLx……ライト用ビット線、RBL1〜RBLx……リード用ビット線、EMCHP……DRAM混載ロジックLSI、510……I/O回路、520……ロジック回路、511……出力回路の最終段ドライバ回路、514……入力回路の初段バッファ回路、VDD……コア電源電圧、VSS……コア接地電圧、VDDQ……I/O電源電圧、VSSQ……I/O接地電圧。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a dynamic memory and a semiconductor device using the dynamic memory, and particularly provides a dynamic memory suitable for high-speed and low-power applications and a semiconductor device using the dynamic memory.
[0002]
[Prior art]
The operation waveform of a conventional dynamic memory (hereinafter referred to as DRAM) in which information is stored by a memory cell consisting of one NMOS transistor and one capacitor is, for example, written by Kiyoo Ito, "Ultra LSI Memory", Bafukan, p86 As described, it operates as in FIG. That is, during a read operation, the word line WL is asserted to read a signal from the memory cell to the bit lines BL and / BL, and then the sense amplifier is activated at a predetermined time φA to amplify the bit line signal. As a result, the data is fixedly output after the row address access time (tRAC) from the start of access. Further, it takes time until tRAS for rewriting to the memory cell, and then a precharge time (tRP) is required as a precharge time for the bit line and the like.
[0003]
On the other hand, the write operation is basically the same as the read operation, but the data of the selected memory cell is driven by driving the bit line in accordance with the write data after the sense amplifier is driven.
[0004]
Further, these dynamic memories require a refresh operation in order to hold information in the memory cells.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the above conventional dynamic memory,
(1) During a read operation, the amplitude of the bit line must be increased in order to rewrite to the memory cell. This increases the cycle time (tRC) represented by tRAS + tRP.
[0006]
(2) During the write operation, the non-selected memory cell needs to perform the same operation as the read operation, so that the write cycle time tRC also becomes longer as in the read operation.
[0007]
(3) When the dynamic memory is completely pipelined for the above (1) and (2), the pipeline pitch becomes long.
[0008]
(4) Because refresh is necessary, contention occurs between access to dynamic memory other than refresh (external access) and access for refresh, resulting in performance degradation.
[0009]
The problem arises.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The main means used in the present invention to solve the above problems are as follows. That is, in a semiconductor device, a memory circuit including a plurality of memory cells provided at intersections of a plurality of bit lines and a plurality of word lines, and for instructing the memory circuit to perform either reading or writing Internal command for instructing the memory circuit to read or write at the change point of the second clock having a frequency higher than that of the first clock. And an access control circuit for supplying to the memory circuit as an internal address, wherein the access control circuit is configured to change the second clock at a change point of the second clock at a timing when the external command and the external address are not supplied. A refresh control circuit for performing a refresh operation of the memory cell is further included.
[0011]
With the above configuration, the memory circuit can conceal the refresh operation from the outside because the refresh operation can be performed as an internal operation separated from the external control even if a memory cell that needs to be refreshed is used.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. The circuit elements constituting each block in the embodiment are not particularly limited, but are formed on a single semiconductor substrate such as single crystal silicon by a known integrated circuit technology such as a CMOS (complementary MOS transistor). The circuit symbols of MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) that do not have a circle on the gate represent N-type MOSFETs (NMOS), and are distinguished from P-type MOSFETs (PMOS) that have a circle on the gate. Hereinafter, in order to call a MOSFET, it will be simplified and called a MOS or a MOS transistor. However, the present invention is not limited to a field effect transistor including an oxide film insulating film provided between a metal gate and a semiconductor layer, and a general FET such as a MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) is used. Applied to the circuit.
[0013]
Note that the meaning of a latch and a flip-flop or register is strictly different, but here they are represented as a latch unless otherwise specified.
[0014]
<Example 1>
FIG. 1 shows a typical embodiment of the present invention. The memory device of the present invention includes a dynamic memory 100 and a cache memory 110. 111 in the cache memory 110 indicates a valid bit, and 112 and 113 indicate the address and data of each entry in the cache memory. Reference numeral 114 denotes a bus connected to the cache memory 110, 115 denotes a bus connected to the dynamic memory 100, and 116 denotes a bus controller thereof.
[0015]
The dynamic memory 100 performs an operation as shown in FIG. That is, at the time of read operation, the sense amplifier is activated with φA after asserting the word line WL. As a result, data DO is output after tRAC from the input of the address. At this time, unlike the conventional dynamic memory, the rewrite operation of amplifying the read signal to the bit line and writing to the memory cell is not performed.
[0016]
Therefore, it is not necessary to amplify data to the bit lines BL and / BL as in the prior art, and the power required for charging and discharging the bit lines can be reduced. Further, no time corresponding to the conventional tRAS shown in FIG. Although tRP is required as a precharge time for the bit line or the like, since the bit lines BL and / BL remain at a small amplitude, precharge can be performed in a short time.
[0017]
On the other hand, in the write operation, only the word line WL of the selected memory cell is asserted, and as soon as the word line WL is asserted, the bit lines BL and / BL are driven according to the write data.
[0018]
Since rewriting to the memory cell is not performed at the time of reading, destructive reading is performed. The cache memory 110 is used to protect the data. Data read from the dynamic memory 100 is sent to the cache memory 110. The cache memory 110 stores the read data in a certain entry, and at that time, sets the Valid bit of the entry. Further, when the cache memory is replaced, with respect to an entry in which the Valid bit is set, new data is stored in the entry and at the same time, the stored data is written back to the dynamic memory 100. (Control is performed like a write-back method using a write-allocate write method.)
By controlling in this way, data read from the dynamic memory 100 by destructive reading is stored in one entry of the cache memory 110, and when the cache memory 110 is evicted (replaced), the Valid bit is set. Therefore, writing back to the dynamic memory 100 is performed. In this way, the original data is never lost only by reciprocating between the dynamic memory 100 and the cache memory 110.
[0019]
The data flow between the dynamic memory 100 and the cache memory 110 is performed by the bus controller 116. If the dynamic memory 100 and the cache memory 110 can be directly connected to each other by one bus, the data flow shown in FIG. It goes without saying that the bus controller is not particularly necessary.
[0020]
For the sense amplifier of the dynamic memory 100 of the present invention, a direct sense type sense amplifier described in, for example, Kiyoo Ito, “VLSI LSI”, Bafukan, p165 is suitable. In this direct sense system, the memory cell signal can be directly taken out to the common data output line without waiting for the sense amplifier to amplify data on the bit line, and high speed operation is possible. When this direct sense method is used in a conventional dynamic memory, an amplifier for rewriting to a memory cell is required in parallel with the sense amplifier, but this rewriting amplifier is not necessary in the dynamic memory of the present invention.
[0021]
FIG. 4 shows an embodiment in which this direct sense type sense amplifier is applied to the dynamic memory 100 of the present invention. MC is a dynamic memory cell, 301 is an equalizer circuit, 302 is a direct sense sense amplifier circuit, 303 is a write amplifier circuit, 304 is a word driver circuit, 305a to 305d are word lines, BL and / BL are bit lines, EQ Represents an equalizer circuit activation signal, SA represents a sense amplifier circuit activation signal, and WA represents a write amplifier circuit activation signal. RO and / RO are output lines from the sense amplifier circuit, WI and / WI are input lines to the write amplifier circuit, and I / O lines (input / output lines) are formed by two dual rail signals. Yes. The feature is that there is no rewrite amplifier circuit. Here, an example in which the output line and the input line are separated is shown, but they may be shared. That is, the input / output lines may be two pairs separated for writing and reading, or may be common to one pair.
[0022]
As described above, in the dynamic memory 100 of the present invention, tRC can be significantly shortened as compared with the conventional dynamic memory. When this feature is used, when the dynamic memory 100 is pipelined as shown in FIG. 5, the pipeline pitch can be reduced. In FIG. 5, reference numeral 200 denotes a configuration example when the dynamic memory of the present invention is pipelined. 201 is an address latch, 202 is an address decoder, 203 is an address driver, 204 is a sense amplifier and write amplifier, 205 is an input data DI latch, 206 is a write buffer, 207 is an I / O that amplifies the signals on the I / O lines 210 and 211 Line amplifiers 208 and 209 are bit line pairs BL and / BL, 210 and 211 are I / O line pairs, 212 is a word line, and 213 is a memory cell.
[0023]
The clock CLK is input to 201, 205, and 207 and has a two-stage pipeline structure.
[0024]
At the time of reading, the address latched by 201 is decoded, and one of the word lines 212 is selected and asserted. The memory cell information output to the bit lines BL and / BL is amplified by 204. The amplified memory cell data is latched by the next clock 207 and output as output data DO.
[0025]
FIG. 5B illustrates the above read method as a timing chart. The read address Ra1 is input at the rising edge indicated by # 1 of the clock CLK, and the data Rd1 is output at # 2. Since the data Rd1 is determined in # 3, the device or circuit that issued the read request in # 1 can read the data from the dynamic memory 100 with the latency 2. Similarly, data Rd2 corresponding to the read address Ra2 input at # 2 is output at # 3, and the data can be read at # 4. In response to a read request, data is taken in after two clocks, so the read latency is 2.
[0026]
At the time of writing, after the address latched by 201 is decoded, one of the word lines 212 is selected and asserted. At the same time, the write data is latched by 205 and the bit lines BL and / BL are driven by 206. By this operation, writing to the memory cell is performed.
[0027]
FIG. 5C illustrates the above writing method as a timing chart. The write address Wa1 is input at the rising edge indicated by # 1 of the clock CLK, and the write data Wd1 is input at # 1 at the same time. The write operation is completed by the next clock # 2, and the next write address Wa2 and write data Wd2 are input at # 2. The write latency is 0 because the write request can be completed with the same clock as the address input.
[0028]
In the above two operations, the precharge operation of the bit lines BL, / BL and I / O lines is omitted, but the method is not particularly limited. It may be performed between the rising edge of the clock CLK and the assertion of the word line.
[0029]
The conventional dynamic memory has a drawback that since the tRC is long, the pipeline pitch becomes long even if it is pipelined. Conventionally, methods such as multi-bank interleaving have been used to conceal this defect, but there are problems such as pipeline disruption when access to the same bank continues, and bank control becomes complicated. There was a drawback.
[0030]
FIG. 6 shows an embodiment in which the write latency and read latency of the dynamic memory in FIG. 5 are the same. In order to make the definition of latency accurate, the definition of latency used in the present application will be described. Read latency is the number of clocks from the clock edge at which the read request is made to the clock edge until data can be taken in. Write latency is the clock from the clock edge at which the write request is made to the clock edge at which write data is input. Is a number.
[0031]
221 is a read address latch, 222, 223 and 224 are write address latches, and 225 is a selector. A broken line with an arrow represents a clock line and is controlled by the write data control unit 226 as shown below. Compared with FIG. 5, the address latch 201 is replaced with a read address latch 221, write address latches 222 to 224, and a selector 225. The input clock of the address latch and the input clock of 205 are controlled by the write data control unit 226 as follows.
[0032]
When a write address is input, the address is delayed by the write address latches 222-224. Write data input after two clocks from the input of the write address is latched by 205 and is in a write ready state. At the timing when there is a write access request next to this write access, data is written to the memory cell with write latency 0 based on the address latched in 224 and the data latched in 205. Therefore, the write operation is performed at the time of the write access after or after the write access. (The actual write operation to the memory cell is performed at the time of the subsequent write request including the time when the write address and the write data are gathered, so that the so-called delayed write is performed.) The write latency is 0 and the read latency is 2. By controlling with the configuration as shown in FIG.
[0033]
FIG. 6B is a timing chart illustrating the reading method. The reading method is basically the same as that shown in FIG. That is, the read address Ra1 is input at the rising edge indicated by # 1 of the clock CLK, and the data Rd1 is output at # 2. Since the data Rd1 is determined in # 3, the circuit device that has issued the read request (Ra1) in # 1 can read the corresponding data (Rd1) with latency 2. Similarly, data Rd2 corresponding to the read address Ra2 input at # 2 is output at # 3 and can be read at # 4. In response to a read request, data is taken in after two clocks, so the read latency is 2.
[0034]
On the other hand, FIG. 6C illustrates the above writing method as a timing chart. The write address Wa1 is input at the rising edge indicated by # 1 of the clock CLK and is latched by the write address latch 222. It is latched by the write address latch 223 at # 2 and by the write address latch 224 at # 3. At # 3, the write data Wd1 is simultaneously latched by the input data DI latch 205 and is in a write ready state. When a write address including # 3 is input thereafter, writing to the memory cells of Wa1 and Wd1 is executed. Since the write data is taken in the second clock from the write address input, the write latency is 2.
[0035]
Needless to say, in order to realize the write latency 2 as shown in FIG. 6C, the input data DI latch 205 is assumed to have a read request in # 3 of FIG. 6C. Must have a structure capable of latching up to two write data. The structure is not particularly limited, but can be easily realized with a FIFO buffer or the like.
[0036]
By controlling the write and read latencies in this way, a plurality of access requests and refresh requests from the CPU and bus master can be input to the dynamic memory without disturbing the pipeline. Further, the device / circuit using the dynamic memory of the present invention can completely grasp not only the read latency but also the write latency. Therefore, it is easy to input the write data into the dynamic memory with the same latency as the read latency, thereby increasing the pipeline filling rate when read and write are mixed. In particular, when the output data line DO and the input data line DI of the dynamic memory are shared as input / output data lines, the above effect is significant because the input data and the output data need to be separated and transmitted in a time division manner. Become. Also, at the time of so-called read-modify-write access, it is necessary to write the data after processing it using the read data. Therefore, if the read latency and the write latency are the same, the pipeline filling rate is increased. Can do.
[0037]
In the method of FIG. 6, the information is actually written to the memory after the write access at least two clocks later. Therefore, when there is a read access request for the same address requested for writing after the write access request, attention must be paid to data coherency. For example, there are the following solutions.
[0038]
(1) If there is a read access request (Ra2) at the same address one clock after the write access request (Wa1), the write data (Wd1) corresponding to the write access request (Wa1) is supported by the read access request (Ra2) Output as read data (Rd2). However, since the write data (Wd1) has not yet been written to the dynamic memory cell, the write data (Wd1) is input at the next clock after the read access request (Ra2), and then the write data is output at the next clock. (Wd1) may be forwarded and output as read data (Rd2) corresponding to the read access request (Ra2).
[0039]
(2) If there is a read access request (Ra2) at the same address two clocks after the write access request (Wa1), the write access request (Wd1) corresponding to the write access request (Wa1) input at that clock is requested. What is necessary is just to forward and output as read data (Rd2) corresponding to the read access request (Ra2) at the next clock of (Ra2).
[0040]
FIG. 7 shows the above forward circuit added to FIG. 231 is an address comparator, 232 is a selector, and 233 is a latch. The address comparator 231 compares the address information stored in the write address latches 222 to 224 with the address requested to be read, and there is an access request to an address that has not been written to the memory cell. In this case, the corresponding read data is forwarded from the input data DI latch 205 to 223 using the selector 232.
[0041]
The structure of the embodiment of FIG. 7 is not limited as long as the operations (1) and (2) can be realized.
[0042]
The number of pipeline stages and the method of cutting the pipeline in the dynamic memory of the present invention shown in FIGS. 5 to 7 are not particularly limited to the illustrated method. For example, a latch may be provided between the word line decoder 202 and the word line driver 203 to increase the number of pipeline stages, or the sense amplifier 204 may be used as a pipeline latch to increase the number of pipeline stages. Needless to say, increasing the number of pipeline stages can shorten the pipeline pitch and increase the operating frequency.
[0043]
Since the dynamic memory of the present invention is used for destructive reading, it is basically necessary to assert only the word line connected to the memory cell storing the data to be read. If only the word line is asserted without being read, the contents of the memory cell are destroyed on the word line, and the contents of the memory cell are not read from the dynamic memory, so they are lost from the entire system using the dynamic memory. Will be. Therefore, if the bit width of the data to be read at a time is small and the number of memory cells to be selected is small, the word line is divided into many sub word lines and only the word line connected to the memory cell storing the read data is decoded. Need to be asserted. (Hereinafter, this is called a word line division problem.) This division of the word line leads to an increase in area. However, if the number of memory cells read at a time is increased, the number of divisions can be reduced even if the word lines are divided, so that the area does not increase. There are the following methods for this.
[0044]
(1) If the cache memory 110 is integrated on the same semiconductor chip as the dynamic memory 100, the line size of the cache memory is increased because there is no pin number bottleneck of the package storing the dynamic memory, and the selected memory is selected at once. The number of cells can be increased. In an extreme example, the memory cell of the cache memory may be laid out in parallel with the sense amplifier. The data width between the dynamic memory 100 and the cache memory 110 is increased (for example, 1024 bits), and the data width between the integrated semiconductor chip and the outside is set to a smaller data width (for example, 32 bits). Also good. The increase in the area of the dynamic memory 100 can be suppressed by avoiding the package pin number bottleneck.
[0045]
(2) When the cache memory 110 is implemented by using a CPU primary cache or secondary cache to make it a separate chip from the dynamic memory 100, the data transfer size between the cache memory 110 and the dynamic memory 100 only To increase. For example, when the cache memory 110 is realized by the secondary cache of the CPU, the line size of the secondary cache may be increased.
[0046]
Further, the data stored in the dynamic memory of the present invention exists in the cache memory 110 or the dynamic memory 100. Therefore, when there are a plurality of bus masters for these memory systems, a so-called coherency problem occurs. For example, this problem can be solved as follows.
[0047]
(1) If the cache memory 110 and the dynamic memory 100 are integrated on the same semiconductor chip and the chip is accessed only through the cache memory 110, there is no direct access to the dynamic memory 100. There is no coherency problem.
[0048]
(2) When the cache memory 110 and the dynamic memory 100 are formed on different chips, the cache memory 110 may be realized using a primary cache or secondary cache of the CPU. The dynamic memory 100 can be accessed directly from multiple CPUs, but coherency compensation methods such as snooping functions using the MESI protocol built into the CPU, primary cache or secondary cache controller can be used as they are. . When data is read from the dynamic memory 100, the Valid bit of the data entry is set, so the MESI protocol monitors the corresponding entry access of other CPUs.
[0049]
FIG. 8 shows an embodiment of a fully pipelined dynamic memory of the present invention when the cache memory 110 cannot be used. As described above, the dynamic memory of the present invention is destructive reading. Therefore, the read data does not exist in the dynamic memory. In FIG. 8, the dynamic memory is pipelined, and the write operation (Wa1, Wd1) of the data read to the same address is performed immediately after the read (Ra1, Rd1). (A) is a waveform when the embodiment of FIG. 5 is used. (B) is a waveform when using the embodiment in the case where the delayed write system shown in FIG. 6 or FIG. 7 is used. As described above, when the method of FIG. 6 or FIG. 7 is used, a new access request (Ra2) can be accepted at # 3, so that the access overhead can be suppressed to one clock. When there are a plurality of bus masters, the write access in the continuous read / write operation for rewriting needs to be performed with the highest priority in order to compensate for coherency. (Hereinafter, the data holding method of the destructive read memory cell using the pipeline is referred to as a pipeline rewrite method.)
The method of FIG. 8 can be used not only when the cache memory 110 cannot be used but also when the valid bit control cannot be used for the cache memory 110. Further, it can be used when the cache memory 110 is an instruction cache.
[0050]
The cache memory 110 of FIG. 1 may be integrated on the same semiconductor chip as the dynamic memory 100, but may be a separate chip.
[0051]
When the dynamic memory 100 is used as the main memory of the CPU, the cache memory 110 is optimally realized as the primary cache of the CPU. Alternatively, it may be realized as a memory system composed of a primary cache and a secondary cache of a CPU. In this case, the data read from the dynamic memory 100 is written to the primary cache, and when the data is erased from the primary cache, the data is written to the secondary cache, and the data is read from the secondary cache. However, it is optimal to control so that the data is written back to the dynamic memory 100 at the time of replacement. As described above, the area efficiency can be increased by using the cache memory 110 as the primary cache or the secondary cache of the CPU.
[0052]
Further, the number of cache memories 110 is not limited. Alternatively, the cache memory 110 may have a plurality of memory hierarchies. There may be two such as an instruction cache and a data cache. In the case of the data cache, the access method using the Valid bit described in FIG. 1 is used, and in the case of the instruction cache, the write access may be performed after the read access using the method described in FIG. Alternatively, two modes may be provided in the dynamic memory 100 to have a mode for accessing in the dynamic memory format of the present invention and a mode for accessing in the conventional dynamic memory format. If a mode with good access efficiency is selected according to the access contents, the dynamic memory 100 can be used more efficiently.
[0053]
In the above embodiment, an example is shown in which the Valid bit is used, but the presence or absence of the Valid bit is not particularly limited. Further, the line size, number of ways, capacity, etc. of the cache memory 110 are not particularly limited. Data that is destructively read from the dynamic memory 100 may be stored in the cache memory 110, and data that is evicted from the cache memory 110 may be stored in the dynamic memory 100. If there are two or more cache memories, control may be performed so that data is always present in the cache memory and the dynamic memory. In short, if the dynamic memory is destructively read and the read data is controlled to be stored in a memory other than the read dynamic memory (cache memory in the present invention) of the entire system using the dynamic memory, the system configuration is particularly limited. do not do.
[0054]
Further, the number of dynamic memories 100 is not limited. The method of the present invention may be applied to a plurality of dynamic memory chips, or the method of the present invention may be applied to some dynamic memories of the plurality of dynamic memory chips.
[0055]
Further, the structure of the memory cell of the cache memory 110 is not particularly limited. A dynamic type in which data is stored by accumulating charges in the capacitance may be used, an SRAM memory cell using poly resistors or TFTs, or a complete CMOS SRAM memory cell using six MOS transistors.
[0056]
The invention according to the first embodiment is summarized as follows.
[0057]
(1) A plurality of dynamic memory cells provided at intersections of a plurality of word lines and a plurality of bit lines, a plurality of sense amplifiers provided corresponding to each of the plurality of bit lines, and the plurality of senses In a semiconductor device including a dynamic memory having a plurality of input / output lines provided corresponding to each amplifier, the dynamic memory selects the word line and outputs a signal of the corresponding dynamic memory cell during a read operation. After reading to the corresponding plurality of bit lines, the signals read by the plurality of sense amplifiers are input to the bit lines without shifting to a rewrite period of the read signal to the dynamic memory cell. After amplification on the output line, the plurality of bit lines are precharged. (First readout mode)
(2) The dynamic memory further includes a write amplifier on the corresponding bit line,
During a write operation to the dynamic memory cell, the write amplifier outputs a write signal to the corresponding bit line immediately after or immediately before selecting the corresponding word line, and writes the signal to the dynamic memory cell. . (First writing mode)
(3) In addition, the semiconductor device of (1) to (2) further includes at least one cache configured by static memory cells, and in the operation of reading data from the dynamic memory, the dynamic method is used by the reading method. Data is read from the memory, the data is written to at least one of the caches, and when the data is erased from all the caches, the data is written back to the dynamic memory.
[0058]
(4) The dynamic memory described in (1) to (3) above includes a memory device including an address latch circuit that receives a row address for selecting a word line to be accessed among a plurality of word lines. The address latch circuit latches the row address at every changing point of the first clock signal having a predetermined cycle.
[0059]
(5) Further, the pipelined dynamic memory of (4) further includes a write delay circuit to which a first write address and first write data input at the time of the first write access are input, and the first write A write operation to the dynamic memory cell corresponding to the access is performed on the first write address and the first write data stored in the write delay circuit at the time of the second write access following the first write access.
[0060]
(6) The dynamic memory according to (5) further includes a forward circuit having an address comparator. In the read access, the forward circuit compares the input read address with the first write address by the address comparator. If there is a read access at the same address as the first write address between the first write access and the second write access, the first write data is output as read data corresponding to the read access.
[0061]
<Example 2>
A more specific embodiment of the pipelined DRAM (PDRAM) of the present invention is shown in FIG. M0 is an NMOS transistor and constitutes the memory cell MC1 together with the capacitor C0. BL1 to BLn are bit lines, WL1 to WLm are word lines, and the memory cells are connected at the intersections of the word lines and the bit lines. (For example, in the folded type bit line arrangement method described in page 90 of "VLSI LSI", Kiyoo Ito, Bafukan, 1994, a memory cell is always connected at the intersection of a bit line and a word line. In the present invention, these bit line arrangement methods are not particularly limited to those shown in FIG. 9. RAMP is a read amplifier, WAMP is a write amplifier, and LX-DEC is a word line decoder (word Line driver circuit). SARY1 to SARYx are subarrays composed of the circuits described above. WDATAL is write data latch, RDATAL is read data latch, WSEL is write data selector, RSEL is read data selector, Y-DEC is Y decoder (including Y driver), Y-ADRL is Y address latch, GX-DEC is global Word line decoder (row decoder including global word line driver), X-ADRL is X address latch (row address latch circuit), CRL is timing control circuit, GWL1 to GWLz are global word lines, DI1 to DIn are input data, DO1 ˜DOn is output data, ADD is an address (addresses are input without being multiplexed), WE is a write enable, CLK is a clock, and VPL is a plate voltage.
[0062]
The input address ADD is latched by X-ADRL and Y-ADRL every clock CLK cycle, and decoded by GX-DEC and Y-DEC. As a result of decoding by GX-DEC, one of the global word lines GWL1 to GWLz is selected. Y-DEC selects one of the subarrays SARY1 to SARYx as a result of decoding. LX-DEC receives the global bit lines GWL1 to GWLz and the decoding result of Y-DEC, and selects and drives one of the word lines WL1 to WLm in the selected subarray. The number of memory cells selected by the word line is the same as the number n of output or input data.
[0063]
At the time of reading, the storage information from the selected n memory cells is amplified by n read amplifiers RAMP. The amplified n pieces of data DO1a to DOna are input to the read data selector RSEL. RSEL selects and connects n data DO1a to DOna output from subarrays SARY1 to SARYx to n inputs of read data latch RDATAL according to the decode signal input from Y decoder Y-DEC. To do. The n pieces of data transferred to the read data latch RDATAL are latched by the read data latch RDATAL according to the clock CLK, and are output to the outside of the pipeline dynamic memory PDRAM as DO1 to DOn.
[0064]
At the time of writing, the input data DI1 to DIn are latched by the write data latch RDATAL according to the clock CLK and input to the write data selector WSEL. The write data selector WSEL selects a subarray that performs a write operation according to the decode signal input from the Y decoder Y-DEC, and inputs n data from the write data selector WSEL to n inputs from the subarrays SARY1 to SARYx. Select and connect to DI1a to DIna.
[0065]
The input n pieces of data DI1a to DIna are amplified by a write amplifier WAMP and written as storage information in n memory cells selected via a bit line.
[0066]
With the structure of the embodiment of FIG. 9, the operation shown in FIG. 3A or 3B can be realized by pulse driving the word lines WL1 to WLm for a predetermined period within the period of the clock CLK. Further, as described above, since the rewriting is not performed, the pulse width of the word line can be shortened, and the pipeline pitch (cycle of the clock CLK) determined thereby can be shortened. Since the structure of FIG. 9 is basically the same as the structure of the embodiment of FIG. 5A, when the reading method and the writing method are written in a timing chart, they are the same as FIG. 5B and FIG. 5C. Become.
[0067]
In FIG. 9, the problem of the word line division described above is solved by hierarchizing the word lines into global word lines GWL1 to GWLm and word lines WL1 to WLm. Here, the number of global word lines GWL1 to GWLm and the number of word lines WL1 to WLm are the same. However, if the number of decode address bits of the Y decoder is increased, the number of global word lines GWL1 to GWLm may be reduced from m. it can.
[0068]
Although a specific circuit diagram example of WAMP and RAMP is not shown in FIG. 9, for example, 303 of FIG. 4 can be used for WAMP, and 302 of FIG. 4 can be used for RAMP. In FIG. 9, WAMP and RAMP are arranged at both ends of the bit line, but this is a measure for making the drawing easier to see, and the actual circuit layout arrangement is not limited to this arrangement. WAMP and RAMP may be arranged so as to be connected to one end of the bit line as indicated by 303 and 302 in FIG. In this case, it goes without saying that the write data selector WSEL and the read data selector RSEL may be shared depending on the configuration. Furthermore, a so-called shared sense amplifier system in which bit lines are connected to both ends of RAMP and WAMP, and memory cells are connected to the respective bit lines may be used. As described above, the bit line structure, RAMP, and WAMP structure are not particularly limited to those shown in FIG. In addition, in FIG. 9, the precharge circuit indicated by 301 in FIG. 4 is not particularly shown, but this is also a measure for making the drawing easy to see, and is necessary for the operation of the memory circuit such as the precharge circuit in a proper place. Needless to say, an additional circuit may be added.
[0069]
<Example 3>
Next, an example of a refresh-free dynamic memory (RFPDRAM) using the pipelined dynamic memory shown in FIG.
[0070]
FIG. 10 is a diagram showing an embodiment of RFPDRAM. PDRAM corresponds to the pipeline dynamic memory shown in FIG. ASEL, DISEL, and WESEL are selectors, RFADDG is a refresh address generator, RFDATL is a refresh data latch (data latch circuit), REFSEQ is a refresh sequencer, FF1 is a flip-flop, and these circuits form the access control circuit ACCRL. ing. Here, the flip-flop FF1 is a flip-flop generally referred to, and the output Q is an input at the time when the clock input to the clock input indicated by a triangle symbol in the drawing transitions from “L” to “H”. Memorize D and output to Q, otherwise maintain Q output.
[0071]
ADD, DI, and DO are PDRAM address and data input / output terminals, respectively, each of which has a predetermined number of bits corresponding to the PDRAM capacity and the number of input / output bits. On the other hand, EADD, EDI, and EDO are RFPDRAM address and data input / output terminals, respectively, and each terminal has the same number of bits as PDRAM ADD, DI, and DO. WE and EWE indicate write enable signals for PDRAM and RFPDRAM, respectively. CLK, CLK1, and CLK2 indicate clock signals or clock terminals.
[0072]
The address EADD input to the refresh free dynamic memory RFPDRAM is input to the selector ASEL together with the output RFADD of the refresh address generator RFADDG, and is selectively connected to the address ADD of the PDRAM according to the value of the selector signal P1. Similarly, the input data DI input to the RFPDRAM is input to the selector DISEL together with the output RFDAT of the refresh data latch RFDATL, and is selectively connected to the input data DI of the PDRAM according to the value of the selector signal P1. Further, the write enable signal EWE input to the RFPDRAM is input to the selector WESEL together with the output RFWE of the refresh sequencer REFSEQ, and is selectively connected to the PDRAM write enable signal WE according to the value of the selector signal P1. PDRAM output data DO is input to RFPDRAM output data EDO and refresh data latch RFDATL. REFSEQ uses the clocks CLK1 and CLK2 input to RFPDRAM to control the refresh address generator RFADDG and the refresh data latches RFDATL and P1, thereby performing the control necessary for the PDRAM refresh operation. FIG. 11 shows a timing chart of the operation example.
[0073]
The clock CLK1 is a clock having a frequency twice as high as that of the clock CLK2, and the rising timings thereof coincide. Devices or circuits that use RFPDRAM connected to EADD, EDI, EDO, EWE, etc. (not shown in FIG. 19 for simplicity. Hereinafter, this is called an external device, and access from that external device to RFPDRAM) The external access request from the request is called an external access request.) Is captured at the rising edge of CLK2. Since the output P1 of FF1 in FIG. 10 is "H" at the rising timing of CLK2, the access request received at the rising timing of CLK2 is directly transmitted to the PDRAM for processing. Here, # 1 is a read request (Ra1), # 3 is a write request (Wa2), # 5 is a read request (Ra3), # 7 is a read request (Ra4), and # 9 is a read request (Ra5). In response to those access requests, RFPDRAM confirms the read data (Rd1) output with # 3, the write data (Wd2) input with # 3, the read data (Rd3) output with # 7, Read data (Rd4) output is confirmed with # 9, and read data (Rd5) output is confirmed with # 11. Regarding the read, latency 2 is output in terms of the frequency of CLK1, latency 1 in terms of the frequency of CLK2, and no-waiting output. For write, the latency is zero.
[0074]
As described above, an external access request to the pipeline dynamic memory PDRAM is generated only once every two periods in terms of CLK1 period. In FIG. 11, external access requests are generated only at odd-numbered clock rising edges, such as # 1, # 3, # 5, # 7,. Since the PDRAM is completely pipelined, an access request to the PDRAM can be made every cycle in the CLK1 period. On the other hand, in the configuration of FIG. 10, as described above, the external access request is issued only once every two cycles in the CLK1 cycle. The access control circuit ACCRL issues an access request for a refresh operation to the PDRAM between these external access requests (empty slots in the pipeline indicated by # 4, # 6, # 8, # 10,...). Hereinafter, the method will be described in detail with reference to FIG.
[0075]
The access control circuit ACCRL issues a refresh request to the PDRAM at a certain time interval so that the information stored in the pipeline dynamic memory PDRAM is not erased. In FIG. 11, a read request (Ra0) is issued at # 4 with respect to the refresh address RFADD generated by the refresh address generator RFADDG, and the read data (Rd0) is received at # 6 and stored in the refresh data latch RFDATL. . Next, in # 8, a write request (Wa0) is issued to the same address requested in the previous read, and the data (Wd0) stored in RFDATL is written. Through the above operation, rewriting of the memory cell in the PDRAM is executed. RFADDG then counts up RFADD. This operation is repeated by the refresh sequencer REFSEQ at predetermined time intervals, whereby the refresh operation for all the memory cells in the PDRAM is performed.
[0076]
According to the above-described embodiment, the refresh operation unique to the dynamic memory that stores information by the electric charge accumulated in the capacitance can be completely hidden from the device or circuit using the dynamic memory. Further, the same performance as the original pipeline dynamic memory PDRAM can be obtained with respect to the access speed (here, latency). (In the embodiment of FIG. 11, the read latency is 2 in terms of the CLK1 period, and the speed is not degraded.) On the other hand, the maximum access request frequency (freq1) that can be issued to the RFPDRAM is the highest access that can be originally accepted by the PDRAM. Half of the frequency (freq). However, since the pipeline frequency of the PDRAM (frequency of CLK1) can be sufficiently increased by pipelining, the access request frequency (freq1) to the RFPDRAM can also be increased to a level where there is no problem. For example, when the microprocessor is operating at 300 MHz as an external device using the refresh-free dynamic memory RFPDRAM, CLK can be used at 600 MHz and CLK1 can be used at 300 MHz.
[0077]
9 to 11 show an example in which the read latency of the pipeline dynamic memory PDRAM is 2 and the write latency is 0. However, the use of the refresh concealment method is not particularly limited to this latency. Needless to say. However, if the latency of the PDRAM converted to the CLK1 period is L, and the data exchange for the external access request is performed in the CLK2 period, the latency L1 converted to the CLK1 period is the number of L / 2 rounded up. become. Therefore, the CLK1 cycle conversion latency for data exchange in response to an external access request is L + 1 when L is an odd number.
[0078]
<Example 4>
The refresh concealment method is not particularly limited to the method shown in FIG. In the embodiment of FIG. 11, the PDRAM pipeline cycle is half the cycle of the external access request, and the external access request is # 1, # 3, # 5, # 7,. By limiting to this phase, there is an opportunity to perform a refresh operation with respect to CLK1, with phases # 4, # 6, # 8, and # 10. That is, the phase of the external access request and the phase of the access request accompanying the refresh operation are limited to different phases to avoid collision between the two. In this way, the access conflict between the two may be avoided by controlling the access between the two in different phases.
[0079]
Furthermore, if the pipeline cycle of the PDRAM is made shorter than the cycle of the external access request, the PDRAM refresh opportunity can be surely obtained even when the external access request is issued continuously. That is, the ratio between the pipeline frequency CLK1 as in the embodiment of FIG. 11 and the frequency of the clock signal CLK2 corresponding to the period for receiving the external access request does not have to be particularly double. For example, the ratio between the frequency of CLK1 and the frequency of CLK2 may be a rational number larger than 1, and may be 3/2 times. In this case, even when an external access request is issued to the RFPDRAM every CLK2 cycle, there is a period in which there is no external access request to the PDRAM once every three cycles in terms of the CLK1 cycle. When the previous frequency ratio is 1000/999 times, there is a period in which there is no external access request to the PDRAM once per 1000 periods in terms of CLK1 period. The refresh sequencer REFSEQ may issue an access request necessary for refresh to the PDRAM at a timing when there is no external access request. Since the refresh cycle is generally longer than the external access request cycle, the CLK1 frequency can be made sufficiently fast even if the ratio of the CLK1 frequency to the CLK2 frequency is only 1000/999 times different. The refresh operation can be performed with a sufficient period.
[0080]
As an example, FIGS. 12 and 13 show a more detailed embodiment in the case where the frequency ratio between CLK1 and CLK2 is 3/2. The embodiment of FIG. 12 differs from the embodiment of FIG. 10 in the following two points. (1) The circuit for generating the flip-flop FF1 that generates the selector ASEL, DISEL, and WESEL select signal P1 in FIG. 10 is composed of flip-flops FF2, FF3, and FF4 in FIG. 12, and P3 is the selector ASEL, DISEL , WESEL select signal. (2) EADD, EDI, EDO, and EWE are connected to the DO terminals of selector ASEL, selector DISEL, and selector WESEL through flip-flops FF5, FF6, latch TL1, and flip-flop FF7, respectively. Here, the output Q of the latch TL1 follows the data input to D as long as the clock input E is “H”. When the clock input E becomes “L”, the output Q maintains the Q output until the clock input E becomes “H”. As in the case of FIG. 10, the refresh sequencer REFSEQ is required for the refresh operation of the PDRAM by controlling the refresh address generator RFADDG and the refresh data latches RFDATL, P2, and P3 using the clocks CLK1 and CLK2 input to the RFPDRAM. Control. FIG. 13 shows a timing chart of the operation example.
[0081]
The clock CLK1 is a clock having a frequency 1.5 times that of the clock CLK2, and has a phase relationship as shown in FIG. As in the case of FIG. 11, the external access request is received by the flip-flops FF5, FF6, and FF7 at the rising timing of CLK2. Since the select signal P3 of the selectors ASEL, DISEL, and WESEL has a waveform as shown in FIG. 13, an external access request received at the rising timing of CLK2 is pipelined at the rising timing of CLK1 after that timing. It is thrown into the dynamic memory PDRAM. Here, read request (Ra1) at # 1 of CLK2, write request (Wa2) at # 2, read request (Ra3) at # 3, read request (Ra4) at # 4, and read request (Ra5) at # 5 Captured as an external access request, read request (Ra1) with # 2 of CLK1, write request (Wa2) with # 3, read request (Ra3) with # 5, read request (Ra4) with # 6, read with # 8 Request (Ra5) is captured in PDRAM. In response to these access requests, RFPDRAM determines the read data (Rd1) output at # 4 of CLK1, the write data (Wd2) input at # 3, the read data (Rd3) output at # 7, and the read at # 8. Data (Rd4) output confirmed, read data (Rd5) output confirmed at # 10. Each read data is confirmed by the read data (Rd1) output at # 3 of CLK2, via the latch TL1 to which the clock of P2 shown in FIG. Is output with the read data (Rd4) output confirmed with # 7, and with the read data (Rd5) output confirmed with # 7. Regarding the read, the signal is output with a latency of 2 in terms of the frequency of CLK2, a latency of 3 in terms of the frequency of CLK1, and no wait. For write, the latency is zero.
[0082]
As described above, the external access request to the pipeline dynamic memory PDRAM is generated only at a rate of two times in three periods in terms of the CLK1 period. In FIG. 13, an access request for an external access request is generated only at the rising edge of the clock twice in three times, as in CLK1, # 2, # 3, # 5, # 6,. Since the PDRAM is completely pipelined, an access request to the PDRAM can be made every cycle in the CLK1 period. On the other hand, in the configuration of FIG. 12 and FIG. 13, as described above, the external access request is issued only twice in 3 cycles at the CLK1 cycle. The access control circuit ACCRL issues an access request for a refresh operation to the PDRAM between these external access requests (empty slots in the pipeline indicated by # 4, # 7,... Of CLK1). Hereinafter, this method will be described in detail with reference to FIG.
[0083]
The access control circuit ACCRL issues a refresh request to the PDRAM at a certain time interval so that the information stored in the pipeline dynamic memory PDRAM is not erased. In FIG. 13, for the refresh address generated by the refresh address generator RFADDG, the read request (Ra0) is issued at # 4 of CLK1, the read data (Rd0) is received at # 6 of CLK1, and the refresh data latch RFDATL To store. Next, at # 1 of CLK1, a write request (Wa0) is issued to the same address requested for the previous read, and the data (Wd0) stored in the refresh data latch RFDATL is written. Through the above operation, rewriting of the memory cell in the PDRAM is executed. Thereafter, the refresh address generator RFADDG counts up the refresh address RFADD. This operation is repeated by the refresh sequencer REFSEQ at predetermined time intervals, whereby the refresh operation for all the memory cells in the PDRAM is performed.
[0084]
Similar to the case shown in FIGS. 11 and 12, the embodiment shown in FIGS. 12 and 13 uses the dynamic memory for the refresh operation peculiar to the dynamic memory for storing information by the electric charge accumulated in the capacitance. It can be completely hidden from devices and circuits. As for the access speed (here, latency), the read latency is 3 in terms of CLK1 and 2 in terms of CLK2. The refresh latency can be completely hidden by only increasing the read latency by one from the original latency of PDRAM.
[0085]
Even with a method other than the above, refresh can be performed by repeating a read request and a write request for refreshing between external access requests due to the feature of being completely pipelined. In addition, if the feature of being completely pipelined is used, there can be various methods of refresh means without disturbing external access requests. Various refresh methods may be combined. Of course, if the external access request and the refresh request collide, if it is permitted to delay the external access request, it is needless to say that there are various refresh methods.
[0086]
<Example 5>
In the embodiment of the refresh-free dynamic memory RFPDRAM shown in FIG. 10 and FIG. 12, the clocks CLK1 and CLK2 are input from the outside, but the clock supply form is not particularly limited. CLK2 may be generated from CLK1 using a frequency divider or the like, or CLK2 to CLK1 may be generated using a multiplier circuit (clock doubler) such as a PLL (phase locked loop). FIG. 14 shows an embodiment in which a clock distribution system using a PLL is added to FIG. CLKGEN is a clock generation circuit, here a clock doubler configured with a PLL structure. CLKSYS indicates a clock distribution system in the PDRAM. Although not particularly limited, a so-called H-tree type clock distribution system is used. What is indicated by a triangular symbol such as 406 is a clock buffer, which is a latch circuit using CLK1 indicated by 405a to 405g (in this case, a latch using a clock such as a latch, flip-flop, or selector). CLK1 is distributed with zero skew. The CLK1 is also distributed to the clock generation means 403 as CLK1a in the same phase as the latch circuits 405a to 405g. Further, the clock CLK2 is also input to the clock generation circuit CLKGEN. Since the clock generation circuit CLKGEN has a PLL structure, it has a phase comparison circuit. (1) The phase of CLK1a is the same as the phase of CLK2a, and (2) the frequency of CLK1a is twice the frequency of CLK2. Generate CLK1 to hold.
[0087]
As described above, in the PDRAM, CLK1 distributed with zero skew using the clock decomposition system is fed back to the clock generation circuit as CLK1a with the same zero skew, so that the phase of CLK2 input to the RFPDRAM is The phase of CLK1 received by the ~ 405g latch circuit can be the same. This makes it easy to secure setup margins and hold margins for various signals such as ADD, EADD, DO, EDO, DI, EDI, WE, and EWE, and allows PDRAM to operate at a higher frequency. In particular, when the area of the PDRAM is increased, a large delay occurs between the clock at the output point of the clock generation circuit CLKGEN and the clock received by the latch circuits 405a to 405g. growing.
[0088]
Note that the clock generation circuit shown in FIG. 14 is not limited to the PLL structure. A structure such as DLL (Delayed Docked Loop) or SMD (Synchronous Mirror Delay) may be used. The structure is not limited as long as the two input clock phases are matched to generate a clock having a desired frequency.
[0089]
<Example 6>
The refresh process in the refresh concealment method of the third and fourth embodiments can be used for a process for accessing the PDRAM other than the refresh. For example, it can be used for the rewrite access of the pipeline rewrite technique shown in FIG. In other words, the PDRAM may be used with a specification such that the external access frequency is smaller than the pipeline frequency determined by the PDRAM capability, and the above rewrite operation may be performed in a surplus time. Without using the cache 110, a complete high-speed pipeline of dynamic memory using destructive read memory cells can be realized.
[0090]
Note that the number of pipeline stages and the method of cutting the pipeline are not limited to the method of FIG. 9 or the method of FIG. 15 described later. For example, the clock CLK is input to the word line decoder LX-DEC to increase the number of pipeline stages by providing a latch function, or the number of pipeline stages can be increased by using the read amplifier RAMP or the write amplifier WAMP as a pipeline latch. Good. Needless to say, increasing the number of pipeline stages can shorten the pipeline pitch and increase the operating frequency.
[0091]
Furthermore, in the above-described embodiment of the pipeline dynamic memory PDRAM, an example is shown in which output data from the memory cell is output via a latch (hereinafter referred to as an output latch) when output from the PDRAM. For example, in the embodiment of FIG. 9, a read data latch RDATL is provided as an output latch. However, the presence or absence of the output latch is not particularly limited for realizing the refresh concealment method of the present invention. That is, the present invention can also be applied to a synchronous dynamic memory in a flow-through format. Of course, it goes without saying that the latency changes depending on the presence or absence of the output latch.
[0092]
In addition, in the embodiment of FIG. 9, a delayed write function as exemplified in the embodiments of FIGS. 6 and 7 can be added. Even in this case, the refresh concealment method of the present invention shown in FIGS. Needless to say, this can be realized by adding a small amount of circuit. By controlling the write latency to match the read latency, a plurality of access requests and refresh requests from a plurality of bus masters such as a CPU can be input to the dynamic memory without disturbing the pipeline. Although the output data line DO and the input data line DI are separated in FIG. 9, when the output data line DO and the input data line DI are shared as input / output data lines, the input data and the output data are sometimes transmitted. The effect of the delayed write function is increased because it is necessary to separate and transmit by division. Also, at the time of so-called read-modify-write access, it is necessary to write the data after processing it using the read data. Therefore, if the read latency and the write latency are the same, the pipeline filling rate is increased. Can do.
[0093]
Further, it goes without saying that the refresh concealment method can be implemented even if it is a pipelined dynamic memory, not the pipeline dynamic memory PDRAM shown in the embodiment of FIG. The PDRAM need not have a structure that does not perform rewriting as shown in FIG. When rewriting is performed, as shown in FIG. 2, since the assertion period of the word line becomes long, the pipeline pitch becomes long and it is difficult to increase the pipeline frequency. However, the refresh data latch RFDATL of FIGS. 10 and 12 is not necessary, and the refresh sequencer REFSEQ simply issues a read access request to the address generated by the refresh address generator RFADDG.
[0094]
Furthermore, in the above description, the refresh concealment method using the pipeline operation is described. However, the refresh concealment method can be used even in a dynamic memory that is not pipelined. For example, it can be realized by a so-called synchronous dynamic memory (SDRAM). (Note that with regard to the presence or absence of pipelining, column access is also pipelined with SDRAM, but in this application it means pipelining with row access.) That is, the cycle time determined by the ability of the circuit The cycle time of the external specification may be set large, and the refresh operation may be performed in the extra time. For example, the external access request cycle of the SDRAM may be doubled the access cycle that can be executed by the original SDRAM. In other words, the specification of the time interval (tRC = tRAS + tRP) from the bank active command to the bank active command to the same bank may be set to double the circuit capability. Then, in the time interval (2 × tRC), the precharge command can be executed from two bank active commands. Of the two bank active commands to the precharge command, processing for an external access request is performed once, and processing necessary for a refresh operation is performed when the other is required for refreshing. Since it is not pipelined, the cycle time is doubled, and the latency is nearly doubled including the delay of external access when access is made during the refresh operation. Although the performance will drop in terms of specifications, the refresh can be completely hidden, so a memory that is easy to use and easy to use can be realized.
[0095]
<Example 7>
In the embodiment of FIG. 9, a memory cell in which information is stored by a memory cell composed of one NMOS transistor and a capacitor is used as a memory cell for storing information. That is, it is assumed that a destructive read memory cell (hereinafter referred to as a 1T memory cell) in which information in the memory cell is destroyed by reading is used. The above invention is not particularly limited to the memory cell structure. For example, a non-destructive read memory cell (hereinafter referred to as 3T memory) that stores information by a memory cell composed of three NMOS transistors as described in 1970 IEEE International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers, pp. 42-43. It can also be applied to a dynamic memory using a cell). In addition, many dynamic memory cells such as a memory cell using four MOS transistors are conceivable. Also in 3T memory cells, it is the same as when the word line is divided into a read word line and a write word line, or when the bit line is divided into a read bit line and a write bit line. There may be various control methods such as The structure and control method of these memory cells are not limited.
[0096]
FIG. 15 shows an embodiment of a pipeline dynamic memory PDRAM using the 3T memory cell. MC2 is a 3T memory cell. Information is stored by the charge stored in the gate terminal of the NMOS transistor M2. Word lines WL1 to WLm and global word lines GWL1 to GWLz are controlled at a ternary level. At the intermediate potential, the current corresponding to the gate potential of the NMOS transistor M2 is read out to the bit line RBL through the NMOS transistor M1. At the time of writing, a high potential is applied to the word line WL to turn on the NMOS transistor M3, and a voltage is directly applied from the bit line WBL to the gate potential of the NMOS transistor M2.
[0097]
The embodiment of FIG. 15 differs from the embodiment of FIG. 9 in the following two points. (1) While the memory cell in FIG. 9 is a 1T memory cell, FIG. 15 uses a 3T memory cell. Therefore, the bit lines are divided into read bit lines RBL1 to RBLx and write bit lines WBL1 to WBLx. (2) In FIG. 9, the write data is amplified by the write amplifier WAMP after the write data selector WSEL and transmitted to the bit line, and the read data on the bit line is amplified by the read amplifier and then read data selector RSEL. It is output via. However, in FIG. 15, the write data is amplified by the write amplifier WAMP and then transmitted to the bit line via the write data selector WSEL, and the read data on the bit line is read via the read data selector RSEL. It is output after being amplified by. Therefore, one read amplifier RAMP or write amplifier WAMP is shared by a plurality of Y addresses. The read amplifier RAMP and the write amplifier WAMP are shared by a plurality of bit lines as shown in FIG. Such sharing of the read amplifier RAMP or the write amplifier WAMP has an advantage that the area that can be used for the layout of each amplifier can be increased as compared with the case where the amplifier is not shared. By using a large area for amplifier layout, the selection range of amplifier types is increased, and a high-speed amplifier such as a current sense amplifier can be used.
[0098]
As a 3T memory cell, for example, it has a read word line and a write word line as shown in Fig. 1.10 (a) on page 13 of Kiyoo Ito, published in 1994 by Baifukan, page 13 When 3T memory cells are used, the hierarchization of word lines as shown in FIG. 15 is not required for read word lines. This is because the 3T memory cell is a non-destructive read cell, and therefore it is allowed that there is a memory cell that is not read even when the word line is asserted.
[0099]
Like FIG. 9, FIG. 15 does not show a specific circuit diagram example of WAMP and RAMP, but the RAMP, WAMP structure and bit line structure are not particularly limited to the method shown in FIG. In FIG. 15, WAMP and RAMP are arranged at both ends of the bit line, but this is a measure for making the drawing easier to see, and the actual circuit layout arrangement is not limited to this arrangement. WAMP and RAMP may be arranged so as to be connected to one end of the bit line as indicated by 303 and 302 in FIG. In this case, it goes without saying that the write data selector WSEL and the read data selector RSEL may be shared depending on the configuration. Furthermore, a so-called shared sense amplifier system in which bit lines are connected to both ends of RAMP and WAMP, and memory cells are connected to the respective bit lines may be used. In addition, in FIG. 15, the precharge circuit indicated by 301 in FIG. 4 is not particularly illustrated, but this is also a measure for making the drawing easy to see and is necessary for the operation of the memory circuit such as the precharge circuit in a proper place. Needless to say, an additional circuit may be added.
[0100]
Even when a non-destructive read memory cell such as a 3T memory cell as shown in FIG. 15 is used for the pipeline dynamic memory PDRAM of the present invention, tRAS as shown in FIG. Operation can be realized. In this case, there is an advantage that the cache memory 110 need not be used. Needless to say, the pipeline operation of the present invention shown in FIGS. 5 to 14 can also be realized in the same manner as when 1T memory cells are used.
[0101]
FIG. 16 is a diagram showing an embodiment of a DRAM embedded logic LSI (EMCHP) equipped with the refresh-free dynamic memory RFPDRAM of the present invention. As the memory cell, the 3T memory cell shown in FIG. 15 is used. Note that, in the MOS symbols in FIGS. 15 and 16 and the like, the gate electrode with a white box like M512 is a high voltage MOS transistor composed of a thick gate oxide film of about 6.5 nm, for example. This indicates that the gate electrode indicated by a line, such as M522, is a MOS transistor composed of a thin gate oxide film of about 3.2 nm, for example.
[0102]
VDD and VSS are a core power supply and its ground, and VDDQ and VSSQ indicate an I / O power supply and its ground. For example, the core power supply voltage is 1.0V, and the I / O power supply voltage is 3.3V. OUT0 to OUTx are output signals, IN0 to INy are input signals, and I / O0 to I / Oz are input / output signals. PADCB indicates an I / O circuit for interfacing between a signal inside the chip and the outside of the chip, and 511 indicates a final stage driver circuit of the output circuit, which is a PMOS composed of a thick gate oxide film. A transistor M512 and an NMOS transistor M513 are included. Reference numeral 514 denotes a first-stage buffer circuit of the input circuit, which includes a PMOS transistor M515 formed of a thick gate oxide film and an NMOS transistor M516. (Although omitted for simplification in 514, the MOS transistor in the ESD element connected to the gate electrode of M515 or M516 to prevent electrostatic breakdown is also composed of a MOS transistor with a thick gate oxide film. LCB is a logic circuit composed of inverters, NAND gates, etc. FIG. 16 illustrates an inverter circuit 521 composed of a PMOS transistor M522 composed of a thin gate oxide film and an NMOS transistor M523. Examples of LCBs are 10,000 gates or more such as a microprocessor or DSP. The logic circuit, SRAM, etc. can be mentioned. Also, the 3T memory cell in RFPDRAM uses the same MOS transistor as the MOS transistor having a thick gate oxide thickness used in the I / O circuit. (NMOS transistors M1 and M3 in MC2 of FIG. 15 may be applied with a thick gate oxide film because there is a possibility that a high voltage is applied to them, but a high voltage is not applied to M2. Therefore, it may be composed of a MOS transistor having a thin gate oxide film according to a process problem and a memory cell size.)
In FIG. 16, a MOS transistor to which a high voltage may be applied between the gate and source electrodes or between the gate and drain electrodes of the MOS transistor is configured by a MOS transistor having a thick gate oxide film, and other MOS transistors are used. Uses a MOS transistor with a thin gate oxide film for speeding up as much as possible. By properly using the gate oxide film as shown in FIG. 16, the type of gate oxide film thickness can be limited to only two types for the entire chip, and the manufacturing process can be simplified.
[0103]
In general, when a dynamic memory using 1T memory cells and a logic LSI are mixedly mounted on one chip, there is a drawback that the manufacturing process becomes complicated. However, if a 3T memory cell is used as a memory cell of a dynamic memory as in the present invention, there is no need to form a capacitor in the memory cell, so that the process becomes more complicated than when a 1T memory cell is used. It can be kept low. Further, with the configuration as shown in FIG. 16, the transistors constituting the memory cell can be shared with the transistors used in the logic LSI and the I / O circuit. (However, in order to achieve both high speed and high retention time of the memory cell, the diffusion layer of the transistor in the 3T memory cell is not silicided, and the diffusion layer of the other transistors has a low resistance of the diffusion layer. Therefore, it is possible to perform a treatment such as silicidation.) This makes it possible to greatly reduce the complexity of the process due to the dynamic memory embedded in the logic LSI.
[0104]
The main effects of the above embodiments are as follows.
[0105]
(1) By making the dynamic memory destructive reading, there is no need to amplify data on the bit line, and no time corresponding to tRAS is required. Regarding the precharge time, since the bit line remains at a small amplitude, the precharge can be performed in a short time.
[0106]
(2) Due to (1), the cycle time tRC can be significantly shortened compared with the conventional dynamic memory. When this feature is used, when the dynamic memory is pipelined like a pipeline SRAM, the pipeline pitch can be reduced.
[0107]
(3) When a direct sense sense amplifier is used as a dynamic memory sense amplifier, a high-speed amplification operation is possible. When this direct sensing method is used in the conventional dynamic memory, an amplifier for rewriting to the memory cell is required in parallel with the sense amplifier. However, since it is not necessary in the dynamic memory of the present invention, the chip area can be reduced.
[0108]
(4) In the dynamic memory pipelined with the above configuration, the read latency and the write latency can be made the same. As a result, the pipeline filling rate when reading and writing coexist can be increased.
[0109]
(5) By refreshing the dynamic memory and adding the access control circuit ACCRL to the outside, the refresh operation of the dynamic memory can be hidden.
[0110]
(6) If the 3T memory cell is used, the above effect can be realized without using the cache 110.
[0111]
【The invention's effect】
According to the main effect of the present invention, the read / write cycle time of the dynamic memory cell can be shortened, so that a DRAM capable of high-speed operation can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing operation waveforms of a conventional dynamic memory.
FIG. 3 is a diagram showing an example of operation waveforms of the dynamic memory of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing an embodiment of a dynamic memory of the present invention using a direct sense type sense amplifier circuit;
FIG. 5 is a diagram showing an embodiment of a pipelined dynamic memory according to the present invention and operation waveforms thereof.
FIG. 6 is a diagram showing an embodiment of a dynamic memory in which the write latency and the read latency of the present invention are the same, and its operation waveform.
7 is a diagram showing an embodiment when a forward circuit is further added to the embodiment of FIG. 5; FIG.
FIG. 8 is a diagram showing an example of using the dynamic memory of the present invention when the cache memory cannot be used.
FIG. 9 is a diagram of an example of a pipelined dynamic memory.
FIG. 10 is a diagram of an example of a refresh-free dynamic memory in which an access control circuit that hides a refresh operation from the outside is added to a pipeline dynamic memory PDRAM.
FIG. 11 is a diagram of an example of the operation timing chart of FIG. 10;
12 is a diagram of an example of a refresh-free dynamic memory when the frequency ratio between CLK1 and CLK2 in FIG. 10 is 3/2. FIG.
13 is a diagram of an example of the operation timing chart of FIG. 12. FIG.
14 is a diagram showing an embodiment when the clock generation circuit of FIG. 10 is added.
FIG. 15 is a diagram of an example of a dynamic memory using pipelined 3T memory cells.
FIG. 16 is a diagram showing an embodiment of a DRAM-embedded logic LSI equipped with a refresh-free dynamic memory according to the present invention.
[Explanation of symbols]
100 …… Dynamic memory, 110 …… Cache memory, 200 …… Complete pipeline dynamic memory, 220 …… No wait access complete pipeline dynamic memory, 230 …… No wait access complete pipeline dynamic memory with forward circuit, 300… ... Dynamic memory using direct sense sense amplifiers, Ra1, Ra2 ... Read address, Wa1, Wa2 ... Write address, Rd1, Rd2 ... Read data, Wd1, Wd2 ... Write data, PDRAM ... Pipeline Dynamic memory, PFPDRAM …… Refresh-free dynamic memory, M0 …… NMOS transistor, C0 …… Capacitor, MC1 …… 1T memory cell, WL1 to WLm …… Word line, BL1 to BLn …… Bit line, RAMP …… Read amplifier , WAMP …… Write amplifier, LX-DEC …… Word line decoder (word line driver) SARY1 to SARYx ... subarray, WDATAL ... write data latch, RDATAL ... read data latch, WSEL ... write data selector, RSEL ... read data selector, Y-DEC ... Y decoder (Y Including driver), Y-ADRL ... Y address latch, GX-DEC ... Global word line decoder (global word line driver), X-ADRL ... X address latch, CRL ... Timing control circuit, GWL1 to GWLz ... ... Global word line, DI1 to DIn ... Input data, DO1 to DOn ... Output data, ADD ... Address, WE ... Write enable, CLK ... Clock, VPL ... Plate voltage, ASEL ... Address selector, DISEL …… Input data selector, WESEL …… Write enable signal selector, RFADDG …… Refresh address generator, RFDATL …… Refresh data latch, REFSEQ …… Riff Less sequencer, FF1 to FF7 ... flip-flop, ACCRL ... access control circuit, ADD and EDD ... address, DI and EDI ... input data, DO and EDO ... output data, TL1 ... latch, CLKGEN ... clock Generating circuit, CLKSYS ... clock distribution system, 406 ... clock buffer, 405a to 405g ... latch circuit using clock CLK (in this case, a circuit using a clock such as a latch, flip-flop, register or selector) It is written as a latch circuit. ), MC2 ... 3T memory cell, M1-M3 ... NMOS transistor, WBL1-WBLx ... Write bit line, RBL1-RBLx ... Read bit line, EMCHP ... DRAM mixed logic LSI, 510 ... I / O circuit, 520: Logic circuit, 511: Final driver circuit of output circuit, 514: First stage buffer circuit of input circuit, VDD: Core power supply voltage, VSS: Core ground voltage, VDDQ: I / O Power supply voltage, VSSQ …… I / O ground voltage.

Claims (13)

ビット線と複数のワード線との交点に設けられた複数のメモリセルと、前記複数のワード線に結合されたロウデコーダと、第1クロックに同期してロウアドレスをラッチして前記ロウデコーダに供給するためのロウアドレスラッチ回路とを含むメモリ回路と、
リフレッシュアドレスジェネレータ、リフレッシュデータラッチ、およびリフレッシュシーケンサを含んで構成されるリフレッシュ制御回路を具備するアクセス制御回路とを備え、
前記アクセス制御回路は、第2クロックの変化点に同期して供給される外部アクセス要求を、前記第1クロックの変化点に同期するようにタイミング調整して前記メモリ回路に供給し、
前記第1クロックの周波数は、前記第2クロックの周波数よりも高く、
前記メモリセルは、ダイナミック型のメモリセルであり、
前記リフレッシュシーケンサは、前記リフレッシュアドレスジェネレータによって発生されたリフレッシュアドレスを用いて前記第1クロックの変化点に同期して前記メモリ回路にリード要求を発行し、選択されたメモリセルから読み出されたデータを前記リフレッシュデータラッチに格納し、
前記リード要求した同じリフレッシュアドレスに対して前記第1クロックの変化点に同期してライト要求を発行し、前記リフレッシュデータラッチに格納しておいたデータを、前記メモリセルに書き戻すことによって、前記選択されたメモリセルのリフレッシュ動作を行い、
前記リフレッシュアドレスジェネレータによって前記リフレッシュアドレスを変えながら、前記メモリ回路内の複数のアドレスに対応するメモリセルに対して所定時間内にリフレッシュを行うことを特徴とする半導体装置。
A plurality of memory cells provided at intersections of the bit lines and the plurality of word lines, a row decoder coupled to the plurality of word lines, and a row address latched in synchronization with a first clock to the row decoder A memory circuit including a row address latch circuit for supplying;
An access control circuit including a refresh control circuit including a refresh address generator, a refresh data latch, and a refresh sequencer ;
The access control circuit adjusts the timing of the external access request supplied in synchronization with the change point of the second clock so as to synchronize with the change point of the first clock, and supplies the request to the memory circuit.
Frequency of the first clock, rather higher than the frequency of the second clock,
The memory cell is a dynamic memory cell,
The refresh sequencer issues a read request to the memory circuit in synchronization with the change point of the first clock using the refresh address generated by the refresh address generator, and the data read from the selected memory cell Is stored in the refresh data latch,
By issuing a write request in synchronization with the change point of the first clock to the same refresh address requested to be read, and writing the data stored in the refresh data latch back to the memory cell, Perform a refresh operation on the selected memory cell,
A semiconductor device, wherein a refresh is performed within a predetermined time for memory cells corresponding to a plurality of addresses in the memory circuit while changing the refresh address by the refresh address generator .
請求項1において、
前記外部アクセス要求又はリフレッシュ動作に伴うロウアドレスは、前記第1クロックの変化点に同期して前記メモリ回路にラッチされ、
前記第1クロックがn回変化する間に、前記第2クロックはm回変化し(前記n及びmは正の整数)、
前記nは前記mより大きく、
前記第1クロックが前記n回変化する間に、前記リフレッシュ動作に伴うリード又はライト要求の回数の合計は前記nから前記mを減じた数を超えず、前記外部アクセス要求は前記m回を超えない回数なされることを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
The row address accompanying the external access request or refresh operation is latched in the memory circuit in synchronization with the change point of the first clock,
While the first clock changes n times, the second clock changes m times (where n and m are positive integers),
N is larger than m;
While the first clock changes n times, the total number of read or write requests accompanying the refresh operation does not exceed the number obtained by subtracting m from n, and the external access request exceeds m times. A semiconductor device characterized in that the semiconductor device is performed a number of times.
請求項2において、
前記mは、前記nの半分であることを特徴とする半導体装置。
In claim 2,
The semiconductor device, wherein m is half of the n.
請求項において、
前記リフレッシュ制御回路は、前記第2クロックの立ち上がりエッジで前記外部アクセス要求を受け取るとともに、前記第2クロックの立ち上がりエッジに対応する前記第1クロックの立ち上がりエッジで前記外部アクセス要求に伴うロウアドレスをロウアドレスラッチに供給し、その後の前記第2クロックの立ち下がりエッジで前記外部アクセス要求を受け取らずに前記第2クロックの立ち下がりエッジに対応する前記第1クロックの立ち上がりエッジでリフレッシュのためのロウアドレスを前記ロウアドレスラッチに供給することを特徴とする半導体装置。
In claim 3 ,
The refresh control circuit receives the external access request at the rising edge of the second clock, and sets the row address associated with the external access request at the rising edge of the first clock corresponding to the rising edge of the second clock. A row address for refreshing at the rising edge of the first clock corresponding to the falling edge of the second clock without receiving the external access request at the falling edge of the second clock thereafter supplied to the address latch Is supplied to the row address latch.
請求項1において、
前記アクセス制御回路は、前記第2クロックを受けて、前記第1クロックを発生するためのクロック発生回路をさらに有し、
前記メモリ回路は、前記メモリ回路内に前記第1クロックを分配配送するためのクロック分配回路をさらに有し、
前記クロック発生回路は、前記第2クロックと、前記クロック分配回路を介して分配配送されて帰還された前記第1クロックとの位相を比較する位相比較回路をさらに有することを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
The access control circuit further includes a clock generation circuit for receiving the second clock and generating the first clock;
The memory circuit further includes a clock distribution circuit for distributing and distributing the first clock in the memory circuit,
The clock generation circuit further includes a phase comparison circuit for comparing phases of the second clock and the first clock distributed and distributed via the clock distribution circuit and fed back.
請求項1において、
前記複数のメモリセルのそれぞれは、ゲートが対応するワード線に結合されソース又はドレインの一方が前記ビット線に結合されるMISFETと前記MISFETのソース又はドレインの他方に接続されるキャパシタを含み、前記キャパシタに貯められた電荷によって情報を記憶することを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
Each of the plurality of memory cells includes a MISFET having a gate coupled to a corresponding word line and one of a source and a drain coupled to the bit line and a capacitor connected to the other of the source or the drain of the MISFET, A semiconductor device which stores information by electric charge stored in a capacitor.
請求項1において、
前記複数のメモリセルのそれぞれは、非破壊読み出しメモリセルであることを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
Each of the plurality of memory cells is a non-destructive read memory cell.
請求項1において、
前記半導体装置は、第1MISFETを含んで構成される出力回路と、第2MISFETを含んで構成される論理ゲート回路とをさらに有し、
前記複数のメモリセルのそれぞれは第3MISFETを含み、
前記第3MISFETのゲート酸化膜厚は、前記第1MISFETのゲート酸化膜厚と同じであり、前記第2MISFETのゲート酸化膜厚よりも厚いことを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
The semiconductor device further includes an output circuit configured to include a first MISFET, and a logic gate circuit configured to include a second MISFET,
Each of the plurality of memory cells includes a third MISFET;
The gate oxide film thickness of the third MISFET is the same as the gate oxide film thickness of the first MISFET, and is larger than the gate oxide film thickness of the second MISFET.
請求項1において、
前記半導体装置は、第1MISFETを含んで構成される入力回路と、第2MISFETを含んで構成される論理ゲート回路とをさらに有し、
前記複数のメモリセルのそれぞれは第3MISFETを含み、
前記第3MISFETのゲート酸化膜厚は、前記第1MISFETのゲート酸化膜厚と同じであり、前記第2MISFETのゲート酸化膜厚よりも厚いことを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
The semiconductor device further includes an input circuit including a first MISFET and a logic gate circuit including a second MISFET,
Each of the plurality of memory cells includes a third MISFET;
The gate oxide film thickness of the third MISFET is the same as the gate oxide film thickness of the first MISFET, and is larger than the gate oxide film thickness of the second MISFET.
ビット線と複数のワード線との交点に設けられた複数のメモリセルと、前記複数のワード線に結合されたロウデコーダと、第1クロックに同期してロウアドレスをラッチして前記ロウデコーダに供給するためのロウアドレスラッチ回路とを含むメモリ回路と、
アクセス制御回路とを備え、
前記メモリセルは、ダイナミック型のメモリセルであり、
前記第1クロックは、その周期が外部アクセス要求の周期よりも小さく、
前記アクセス制御回路は、リフレッシュアドレスジェネレータ、リフレッシュデータラッチ、およびリフレッシュシーケンサを含んで構成されるリフレッシュ制御回路を具備し、
前記リフレッシュシーケンサは、前記リフレッシュアドレスジェネレータによって発生されたリフレッシュアドレスを用いて前記第1クロックからの変化点に同期して前記メモリ回路にリード要求を発行し、選択されたメモリセルから読み出されたデータを前記リフレッシュデータラッチに格納し、
前記リード要求した同じリフレッシュアドレスに対して前記第1クロックの変化点に同期してライト要求を発行し、前記リフレッシュデータラッチに格納しておいたデータを、前記メモリセルに書き戻すことによって、前記選択されたメモリセルのリフレッシュ動作を行い、
前記リフレッシュアドレスジェネレータによって前記リフレッシュアドレスを変えながら、前記メモリ回路内の複数のアドレスに対応するメモリセルに対して所定時間内にリフレッシュを行うことを特徴とする半導体装置。
A plurality of memory cells provided at intersections of the bit lines and the plurality of word lines, a row decoder coupled to the plurality of word lines, and a row address latched in synchronization with a first clock to the row decoder A memory circuit including a row address latch circuit for supplying;
An access control circuit,
The memory cell is a dynamic memory cell,
The period of the first clock is smaller than the period of the external access request,
The access control circuit includes a refresh control circuit including a refresh address generator, a refresh data latch, and a refresh sequencer,
The refresh sequencer issues a read request to the memory circuit in synchronization with a change point from the first clock using the refresh address generated by the refresh address generator, and is read from the selected memory cell. Storing data in the refresh data latch;
By issuing a write request in synchronization with the change point of the first clock to the same refresh address requested to be read, and writing the data stored in the refresh data latch back to the memory cell, Perform a refresh operation on the selected memory cell,
A semiconductor device, wherein a refresh is performed within a predetermined time for memory cells corresponding to a plurality of addresses in the memory circuit while changing the refresh address by the refresh address generator.
請求項10において、
前記複数のメモリセルのそれぞれは、ゲートが対応するワード線に結合されソース又はドレインの一方が前記ビット線に結合されるMISFETと前記MISFETのソース又はドレインの他方に接続されるキャパシタを含み、前記キャパシタに貯められた電荷によって情報を記憶することを特徴とする半導体装置。
In claim 10 ,
Each of the plurality of memory cells includes a MISFET having a gate coupled to a corresponding word line and one of a source and a drain coupled to the bit line and a capacitor connected to the other of the source or the drain of the MISFET, A semiconductor device which stores information by electric charge stored in a capacitor.
請求項10において、
前記複数のメモリセルのそれぞれは、非破壊読み出しメモリセルであることを特徴とする半導体装置。
In claim 10 ,
Each of the plurality of memory cells is a non-destructive read memory cell.
請求項11において、
前記ビット線は読み出し用の第1ビット線と書込用の第2ビット線に分離され、
前記複数のメモリセルのそれぞれは、ゲートが対応するワード線に結合されソース又はドレインの一方が前記第1ビット線に結合される第1MISFETと、前記第1MISFETのソース又はドレインの他方に接続されるソース又はドレインを有する第2MISFETと、ゲートが前記対応するワード線に結合されソース又はドレインの一方が前記第2MISFETのゲートに結合される第3MISFETを含むことを特徴とする半導体装置。
In claim 11 ,
The bit line is separated into a first bit line for reading and a second bit line for writing,
Each of the plurality of memory cells is connected to a first MISFET having a gate coupled to a corresponding word line and one of a source or a drain coupled to the first bit line and the other of the source or the drain of the first MISFET. 2. A semiconductor device comprising: a second MISFET having a source or a drain; and a third MISFET having a gate coupled to the corresponding word line and one of the source or drain coupled to the gate of the second MISFET.
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