JP5144556B2 - 半導体記憶装置及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体記憶装置に関し、特にDRAM(Dynamic Random Access Memory)セルを用いた疑似SRAM(Static Random Access Memory)において、リフレッシュ動作とデータアクセス動作との干渉を防止する技術に関するものである。
近年、データ保持にリフレッシュ動作を必要とするDRAMセルによりメモリセルアレイを構成しSRAMとして機能させる疑似SRAMが、安価、大容量化等の利点から、多く利用されている。しかしながら、疑似SRAMは、SRAMに比べて処理速度が低速であるという欠点も有する。また、疑似SRAMには、リフレッシュ動作と、読み出し/書き込み等の通常のデータアクセス動作との干渉を避けるため、両動作の実行順を調整する手段が必要である。この調整に不備があると、例えばデータアクセス動作が集中するメモリバンクに対して十分なリフレッシュ動作が行われず、データが消失する等の不具合が生ずる可能性がある。
以下に、疑似SRAMに関する先行技術を挙げる。特許文献1において、メモリセルのデータ保持の限界時間を計時する1つの計時手段と、メモリバンク毎にリフレッシュされたことを示すリフレッシュ情報を記憶する記憶回路と、メモリバンク内のリフレッシュアドレスを指示するリフレッシュアドレス指示手段と、指示されたリフレッシュアドレスに従ってメモリバンク毎にリフレッシュ動作を制御すると共に、このデータ保持の限界時間毎に、リフレッシュ情報からリフレッシュされていないメモリバンクを検出し、その検出したメモリバンクに対してリフレッシュ動作を行うように制御するリフレッシュ制御手段とを備える半導体記憶装置が開示されている。
特許文献2において、テスト時に、第1のモードでは、リフレッシュ動作をリード/ライト動作(通常のデータアクセス動作)の直前に発生させ、レイテンシを常に第1の固定値に設定し、第2のモードでは、リフレッシュ動作をリード/ライト動作の直後に発生させ、レイテンシを常に第2の固定値に設定する制御回路を備える半導体記憶装置が開示されている。
特許文献3において、リフレッシュの実行を指示する実行指示手段と、リフレッシュするメモリセルのロウアドレスを指定するアドレス指定手段と、実行指示手段からリフレッシュの実行を指示されると、アドレス指定手段により指定されたロウアドレスのメモリセルをリフレッシュする実行手段とを備えるDRAMが開示されている。
特開2003−7054号公報 特開2006−59489号公報 特開2002−298574号公報
しかしながら、上記特許文献1に係る半導体記憶装置においては、リフレッシュ情報からリフレッシュされていないメモリバンクを検出し、そのメモリバンクに対してリフレッシュ動作を行うという動作が、高速動作を阻害する要因となる。また、データアクセス動作とリフレッシュ動作とを異なるメモリバンクに行うため、データアクセス動作が特定のメモリバンクに集中した場合、そのメモリバンクに対するリフレッシュが行われない状況が発生する可能性があるため、データアクセス動作に制限をかける必要がある。
また、上記特許文献2に係る半導体記憶装置においては、テスト方法として、リフレッシュ動作を実行するタイミングとデータアクセス(読み取り/書き込み)動作を実行するタイミングとをあえて近づける手段を備えるものであり、実使用時における両動作の実行順を的確に調整する点、又処理速度を向上させる点において、改善の余地がある。
また、上記特許文献3に開示される構成は、SRAMの1動作サイクル内に、通常のアクセスとリフレッシュとを逐次行う手段を備えるものであり、両動作の実行順を的確に調整する点、又処理速度を向上させる点において、改善に貢献するものではない。
上記課題の解決を図る本発明は、データを保持するリフレッシュ動作が必要な複数のメモリセルを備え、前記リフレッシュ動作、及び前記データの読み出し/書き込みを行うデータアクセス動作を、複数の前記メモリセルからなるメモリバンク毎に行う半導体記憶装置であって、前記メモリバンク毎に、前記リフレッシュ動作を優先的に行うリフレッシュタイミングと、前記データアクセス動作を優先的に行うデータアクセスタイミングとを、クロック信号のエッジに対応させて設定するタイミング割当手段と、前記リフレッシュタイミング中に前記データアクセス動作の要求があった場合に、該データアクセス動作の開始を、前記データアクセスタイミングが開始されるまで待機させ、前記データアクセスタイミング中に前記リフレッシュ動作の要求があった場合に、該リフレッシュ動作の開始を、前記リフレッシュタイミングが開始されるまで待機させる待機手段とを備えるものである。
上記本発明により、リフレッシュ動作の優先期間(リフレッシュタイミング)と、データアクセス動作の優先期間(データアクセスタイミング)とが、データバンク毎に、クロック信号に対応するように設定される。そして、リフレッシュ動作及びデータアクセス動作は、それぞれ自らの優先期間になるまで待機する。これにより、CPUからのリフレッシュ要求及びデータアクセス要求が重なることによる不具合を的確に防止することができる。また、メモリバンク毎のリフレッシュ実行状態を確認する等の処理を不要とすることができるので、処理速度の向上を図ることができる。
また、本発明は、データを保持するリフレッシュ動作が必要な複数のメモリセルを備え、前記リフレッシュ動作、及び前記データの読み出し/書き込みを行うデータアクセス動作を、複数の前記メモリセルからなるメモリバンク毎に行う半導体記憶装置の制御方法であって、前記メモリバンク毎に、前記リフレッシュ動作を優先的に行うリフレッシュタイミングと、前記データアクセス動作を優先的に行うデータアクセスタイミングとを、クロック信号のエッジに対応させて設定するステップと、前記リフレッシュタイミング中に前記データアクセス動作の要求があった場合に、該データアクセス動作の開始を、前記データアクセスタイミングが開始されるまで待機させるステップと、前記データアクセスタイミング中に前記リフレッシュ動作の要求があった場合に、該リフレッシュ動作の開始を、前記リフレッシュタイミングが開始されるまで待機させるステップとを備えるものである。
上記方法による作用効果は、上記装置と同様である。
上記本発明によれば、メモリバンク毎にリフレッシュ動作とデータアクセス動作との実行順を効率的に調整することができる。これにより、処理速度の低下を招くことなく、リフレッシュ動作及びデータアクセス動作の衝突による不具合を確実に防止することができる。
図1は、本発明の実施の形態に係る半導体記憶装置の構成を示す機能ブロック図である。 図2は、リフレッシュタイミング及びデータアクセスタイミングの割当方法の基本概念を示している。 図3は、8つのメモリバンクを備えるメモリにおいて、クロック信号に対してナンバリングを行った状態の例を示す図である。 図4は、図3に示す8つのメモリバンクのうち1つのメモリバンクに着目して基本動作の一手順を説明するための図である。 図5は、ナンバ2に対応するクロックエッジにおいて、データアクセス要求があった場合の動作を示す図である。 図6は、ナンバ1に対応するクロックエッジにおいて、リフレッシュ要求及びデータアクセス要求の両方がなされた場合の動作を示す図である。 図7は、1つのメモリバンクに着目し、図4〜図6に係る動作を纏めて表現した図である。 図8は、クロック信号のサイクルが、図7に示すクロック信号の倍である場合の動作を示す図である。 図9は、アドレスの選択をタイミング制御信号に基づいて実施する構成例を示す図である。 図10は、ナンバ1に対応するクロックエッジにおいてリフレッシュ要求がなされ、ナンバ1〜4に対応するクロックエッジにおいてデータアクセス要求がなされた場合において、それぞれナンバ5に対応するクロックエッジまでのWAIT時間の設定状態を示す図である。 図11は、リフレッシュタイミングの基準クロックにおいてリフレッシュ要求がなされた際、データアクセス要求がなされた場合のWAIT時間の設定状態を示す図である。 図12は、IDLE中にデータアクセス要求がなされた場合のWAIT時間の設定状態を示す図である。 図13は、リフレッシュ要求前のサイクルになされたデータアクセス要求がくい込んだ場合を纏めて表現する図である。 図14は、実動作でリフレッシュ要求を行う基準クロックを決定する演算式に基づいて、HOLDに対する分解能を表現する図である。
実施の形態1
以下に、添付した図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1は、本実施の形態に係る半導体記憶装置1の構成を示す機能ブロック図である。本実施の形態に係る半導体記憶装置1は、DRAMセルを用いた疑似SRAMであって、メモリバンク2と、タイミング割当手段3と、待機手段4とを備える。
メモリバンク2は、複数のメモリセルからなるアクセス単位である。各メモリセルは、データを保持するためのリフレッシュ動作を必要とするDRAMの構成を備える。メモリセルアレイ全体は、複数のメモリバンク2−0,2−1,・・,2−nにより区画される。リフレッシュ動作、及びデータの読み出し/書き込みを行うデータアクセス動作は、図示しないCPU(外部システムを含む)からの要求信号に基づいて、メモリバンク2−0,2−1,・・,2−n毎に行われる。
タイミング割当手段3は、各メモリバンク2−0,2−1,・・,2−nに対し、リフレッシュ動作を優先的に行うリフレッシュタイミングと、データアクセス動作を優先的に行うデータアクセスタイミングとを、所定のクロック信号に対応させて設定する。タイミング割当手段3は、周知の発振回路、適宜の論理回路の組み合わせによるハードウェア的手段、又はプロセッサ、制御プログラム等を用いたソフトウェア的手段により、構築することができる。
待機手段4は、あるメモリバンク2に対して、タイミング割当手段3により設定されたリフレッシュタイミング中にデータアクセス動作の要求があった場合に、このデータアクセス動作の開始を、データアクセスタイミングが開始されるまで待機させる。逆に、あるメモリバンク2に対して、タイミング割当手段3により設定されたデータアクセスタイミング中にリフレッシュ動作の要求があった場合に、このリフレッシュ動作の開始を、リフレッシュタイミングが開始されるまで待機させる。待機手段4は、適宜の論理回路の組み合わせによるハードウェア的手段、又はプロセッサ、制御プログラム等を用いたソフトウェア的手段により、構築することができる。
図2は、タイミング割当手段3によるリフレッシュタイミング及びデータアクセスタイミングの割当方法の基本概念を示している。同図において、クロック信号CLK、タイミング制御信号READY0〜3、ナンバリングNUM0〜3が示されている。クロック信号CLKは、所定の発信回路から発信される基準となる信号である。ここでは、4つのメモリバンク2−0,2−1,2−2,2−3を備える場合を例とする。MRS(Mode Resister Signal)は、動作モードを設定するモードレジスタの入力タイミングを示している。
タイミング制御信号READY0〜3は、各メモリバンク2−0,2−1,2−2,2−3に対応するリフレッシュタイミング及びデータアクセスタイミングを決定する信号である。各タイミング制御信号READY0〜3がHの時に、リフレッシュ動作を優先するリフレッシュタイミングとなり、Lの時に、データアクセス動作を優先するデータアクセスタイミングとなる。
ナンバリングNUM0〜3は、各タイミング制御信号READY0〜3と、クロック信号CLKのエッジ位置との関係を定義するものである。各ナンバリングNUM0〜3は、クロック信号のエッジに対応して、ナンバ1〜8を繰り返して割り当てるものであり、本実施の形態においては、各ナンバ1〜8は各ナンバリングNUM0〜3の間で1クロックづつずれている。また、本実施の形態では、ナンバ1〜4に対応するクロックエッジの期間が、タイミング制御信号READY0〜3がH、即ちリフレッシュタイミングとなるように定義される。また、ナンバ5〜8に対応するクロックエッジの期間が、タイミング制御信号READY0〜3がL、即ちデータアクセスタイミングとなるように定義される。
例えば、ナンバ1に対応するクロックエッジで、リフレッシュ要求と同時にデータアクセス要求があった場合には、ナンバ5に対応するクロックエッジまで、即ち4クロック分、データアクセス要求に係る信号をWAIT状態とする。また、ナンバ1でリフレッシュ要求があり、ナンバ2でデータアクセス要求があった場合には、データアクセス要求を3クロック分、WAIT状態とする。ナンバ2〜4のタイミングでリフレッシュ要求があった場合については、後述する。
ナンバ5〜8に対応する期間、即ちデータアクセスタイミングになされたリフレッシュ要求は、禁止される。また、ナンバ5〜8に対応する期間にデータアクセス要求がなされ、且つナンバ1に対応するクロックエッジがくるまで、即ち再びリフレッシュタイミングが開始されるまでの期間に、データアクセス動作が終了しない場合には、このデータアクセス動作が終了するまでリフレッシュ要求に係る信号をWAIT状態とする。
上記のように、予めメモリバンク2−0,2−1,・・,2−n毎にリフレッシュタイミングとデータアクセスタイミングとをクロック信号CLKに対応させてスケジューリングしておくことにより、ランダムアクセスメモリにおいていつ入力されるか不明確なデータアクセス要求がリフレッシュ要求と干渉し合うことを防止することができる。
また、動作の順位付け(リフレッシュかデータアクセスか)を、タイミング制御信号READY0〜3を用いて決定することにより、実際にリフレッシュ要求が発生するクロックエッジの前(又はそれ以前)のサイクルに遡って、予め内部の動作モードを決定しておくことができる。
尚、上述の例では、ナンバリングNUM0〜3のナンバ列を1〜8とし、8クロック毎にタイミング制御信号READY0〜3をHにし、ナンバ1のクロックエッジからリフレッシュタイミングが開始するようになされているが、8クロック毎にするか否かは、メモリセルのHOLD実力やそれに見合うシステム要求に基づいて、適宜変更されるべき事項である。
また、MRSの起点は、電源投入時のPowerON検知信号、PLL(Phase Locked Loop)のセット信号、又は外部からのRESET信号等の内部動作のイニシャルに関わる信号であってもよい。
図3は、8つのメモリバンクBANK0〜7(図1中2−0,2−1,・・,2−7)を備える同期式メモリにおいて、クロック信号CLKに対してナンバリングを行った状態の例を示している。
図4は、図3に示す8つのメモリバンクBANK0〜7のうち5番目のメモリバンクBANK4に着目し、基本動作の一手順を説明するものである。ナンバ1〜4の期間が、リフレッシュ動作を優先するリフレッシュタイミングであり、ナンバ5〜8の期間が、データアクセス動作を優先するデータアクセスタイミングである。図4は、ナンバ7に対応するクロックエッジにおいて、データアクセス要求がなされた場合を示している。この場合、データアクセスタイミング開始の基準となるナンバ5に対応するクロックエッジから2クロック分経過しており、この2クロック分を後に使用するWAIT時間として保持する。そして、リフレッシュタイミング開始の基準となるナンバ1に対応するクロックエッジにおいてリフレッシュ要求がなされた場合、先に保持したWAIT時間に基づいて、このリフレッシュ要求に係る信号を2クロック分待機させる。また、リフレッシュ要求がないNOP(No Operation)の場合には、保持するWAIT時間を1クロック分とする。データアクセスタイミングにおけるデータアクセス要求についても同様である。
図5は、ナンバ2に対応するクロックエッジ(リフレッシュタイミング中)において、データアクセス要求があった場合を示している。この場合、ナンバ1に対応するクロックエッジにおいてリフレッシュ要求がなされていた場合、データアクセス要求は、ナンバ5に対応するクロックエッジまでの3クロック分をWAIT時間として待機する。
図6は、ナンバ1に対応するクロックエッジにおいて、リフレッシュ要求及びデータアクセス要求の両方がなされた場合を示している。この場合、基本的には上述した図5と同様の動作となる。
図7は、メモリバンクBANK4に着目し、図4〜図6を纏めたものである。同図において、メモリアクセスタイムtRCが示されている。また、同図において、ナンバ1に対応するクロックエッジでリフレッシュ要求がなされた場合、及びナンバ1〜8それぞれに対応するクロックエッジでデータアクセス要求がなされた場合のWAIT時間が示されている。
図8は、クロック信号CLKのサイクルtCKが、図7に示すクロック信号CLKの倍である場合の例である。この例では、メモリアクセスタイムtRCがサイクルtCKに依存し、サイクルtCKに依らずクロックエッジにより動作がスケジューリングされる。リフレッシュ要求は、ナンバ1に対応するクロックエッジを基準に実施され、ナンバリングをナンバ1〜8とする場合、8クロックサイクルに1回リフレッシュ要求がなされることとなる。尚、実際に8クロックサイクルに1回リフレッシュ要求をするか否かは、メモリセルのHOLD実力やそれに見合うシステム要求により決定される。
本実施の形態では、リフレッシュ要求をするクロックエッジ(ナンバ1に対応する)は、メモリアクセスタイムtRCにつき1回とし、tRC=n*tCK,n=8とする。nはメモリの能力に応じて適宜選択される正数である。
各メモリバンク2に対するリフレッシュ要求は、m*tRCで要求される。この要求頻度は、内部タイマ、予め実施される周波数判定結果、PW結果、予め設定した条件に基づいて決定されるが、実際のリフレッシュ要求に係る信号に対しては、上述したようなナンバリングNUMに基づいた動作が行われる。
また、タイミング制御信号READYの状態に応じて、内部動作は予め切り替えられる。タイミング制御信号READYのH期間及びL期間は、メモリアクセスタイムtRC内において配分される。
図9は、アドレスの選択をタイミング制御信号READYに基づいて実施する例を示している。同図中ADDは、メモリバンク2毎のアドレス信号であり、タイミング制御信号READYをアクセスパスとして、実際のデータアクセス及びリフレッシュ前に確定される。
ここで、リフレッシュ要求の頻度について、下記のように拡張することができる。
tRC=n*tCK,n=8
m*tRC(メモリバンク毎のリフレッシュ)
n'<n
m*(n+n')におけるタイミング制御信号READYは、クロック信号CLKに対してタイマ要求がある場合に、実際のリフレッシュ要求を実施する。タイマ要求を発行するタイマとしては、温度センサ付アナログタイマや、周波数判定+クロックカウンタによるデジタルタイマ等が挙げられる。また、タイマを使用せず、外部コマンドの定義としてmを定めることもできる。
tRC=n*tCK,n=8(本実施の形態)
m*tRC(メモリバンク毎のリフレッシュ)
外部コマンドにより、タイミング制御信号READYを発行するm*(n+n'),n'<nを決定する。外部コマンドは、mに関して直接、間接を問わない。
リフレッシュ要求の頻度は、上記のように決定することができるが、製造工程やテスト行程での変更も可能である。
tRC=n*tCK,n=8
m*tRC(メモリバンク毎のリフレッシュ)
タイミング制御信号READYを発行するm*(n+n'),n'<nは、配線層、製造工程でのFUSE等により決定する。また、同様にテストモードを使用することにより変更することができる。
tRC=n*tCK,n=8(本実施の形態)
m*tRC(メモリバンク毎のリフレッシュ)
タイミング制御信号READYを発行するm*(n+n'),n'<nは、テストモードで切り替えられる。
以下に、WAIT状態のスケジューリングについて説明する。図10は、ナンバリングのナンバ1に対応するクロックエッジにおいてリフレッシュ要求がなされ、ナンバ1〜4に対応するクロックエッジにおいてデータアクセス要求がなされた場合において、それぞれナンバ5に対応するクロックエッジまでのWAIT時間の設定状態を示している。メモリバンクBANK4に対して、メモリアクセスタイムtRC毎にデータアクセスした場合、メモリバンクBANK4のWAIT時間はそのままとなる。また、メモリバンクBANK4に対して、メモリアクセスタイムtRCが終了し、NOPクロックが発生した場合には、メモリバンクBANK4のWAIT時間は、これから発生したNOPの回数を引いた時間となる。
図11は、リフレッシュタイミングの基準クロックにおいてリフレッシュ要求がなされた際、データアクセス要求がなされた場合のWAIT時間の設定状態を示している。この場合、先ずWAIT時間は4クロック分設定される。次いで、メモリアクセスタイムtRC経過後、データアクセス要求がなされる。この時、WAIT時間は4クロックを維持する。次いで、メモリアクセスタイムtRC経過後、NOPが2回続くため、WAIT時間は、2(4−2)クロック分となる。
図12は、IDLE(連続NOP)中にデータアクセス要求がなされた場合のWAIT時間の設定状態を示している。リフレッシュ要求があった場合、続けてデータアクセス要求があっても、リフレッシュ要求をWAIT時間1クロック分待機させ、リフレッシュ要求を優先する。この時、WAIT時間は4クロック分保留される(前のWAIT時間が0になるまで)。そして、優先されたリフレッシュ要求による動作後、データアクセス要求は、改めて保留したWAIT時間4クロック分をセットする。
図13は、リフレッシュ要求前のサイクルになされたデータアクセス要求がくい込んだ場合を纏めたものである。
図14は、実動作でリフレッシュ要求を行う基準クロックを決定する下記演算式に基づくHOLDに対する分解能を示している。
tRC=n*tCK,n=8
m*tRC(メモリバンク毎のリフレッシュ)
m*(n+n'),n'<n
タイマ等でm,n'を決定することにより、HOLDに対する分解能を決定することができる。
上記構成によれば、リフレッシュ動作とデータアクセス動作との相互干渉による不具合を、処理速度の低下を招くことなく、防止することができる。なぜなら、メモリバンク毎にリフレッシュされたことを示すリフレッシュ情報を記憶したり、この情報に基づいて、リフレッシュされていないメモリバンクを検出したり、といった処理を必要としないためである。これにより、疑似SRAMの高速化を図ることができる。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
1 半導体記憶装置
2 メモリバンク
3 タイミング割当手段
4 待機手段
CLK クロック信号
READY タイミング制御信号
NUM ナンバリング

Claims (4)

  1. データを保持するリフレッシュ動作が必要な複数のメモリセルを備え、前記リフレッシュ動作、及び前記データの読み出し/書き込みを行うデータアクセス動作を、複数の前記メモリセルからなるメモリバンク毎に行う半導体記憶装置であって、
    前記メモリバンク毎に、前記リフレッシュ動作を優先的に行うリフレッシュタイミングと、前記データアクセス動作を優先的に行うデータアクセスタイミングとを、クロック信号に対応させて設定するタイミング割当手段と、
    前記リフレッシュタイミング中に前記データアクセス動作の要求があった場合に、該データアクセス動作の開始を、前記データアクセスタイミングが開始されるまで待機させ、前記データアクセスタイミング中に前記リフレッシュ動作の要求があった場合に、該リフレッシュ動作の開始を、前記リフレッシュタイミングが開始されるまで待機させる待機手段と、
    を備える半導体記憶装置。
  2. 前記リフレッシュタイミング及び前記データアクセスタイミングは、それぞれ前記クロック信号の複数エッジ分の期間が交互に繰り返されるように割り当てられてなる、
    請求項1記載の半導体記憶装置。
  3. データを保持するリフレッシュ動作が必要な複数のメモリセルを備え、前記リフレッシュ動作、及び前記データの読み出し/書き込みを行うデータアクセス動作を、複数の前記メモリセルからなるメモリバンク毎に行う半導体記憶装置の制御方法であって、
    前記メモリバンク毎に、前記リフレッシュ動作を優先的に行うリフレッシュタイミングと、前記データアクセス動作を優先的に行うデータアクセスタイミングとを、クロック信号のエッジに対応させて設定するステップと、
    前記リフレッシュタイミング中に前記データアクセス動作の要求があった場合に、該データアクセス動作の開始を、前記データアクセスタイミングが開始されるまで待機させるステップと、
    前記データアクセスタイミング中に前記リフレッシュ動作の要求があった場合に、該リフレッシュ動作の開始を、前記リフレッシュタイミングが開始されるまで待機させるステップと、
    を備える半導体記憶装置の制御方法。
  4. 前記リフレッシュタイミング及び前記データアクセスタイミングは、それぞれ複数エッジ分の時間が交互に繰り返されるように割り当てられてなる、
    請求項3記載の半導体記憶装置の制御方法。
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