KR20030062987A - memory cell array architecture for use in low power semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 집적회로에 관한 것으로, 특히 서로 다른 사이즈의 배치를 가지는 반도체 메모리 장치의 메모리 셀 어레이 구조에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor integrated circuits, and more particularly, to a memory cell array structure of semiconductor memory devices having different sized arrangements.
휴대용 기기 등과 같은 전자 기기의 대량 보급과 소형 경량화 추세에 따라, 그에 채용되는 대규모 집적회로 예컨대 반도체 메모리 장치는 저전력으로 동작할 것이 요구되어진다. 왜냐하면, 보다 저전력으로 동작하는 반도체 메모리 장치가 휴대용 기기에 전원을 공급하는 배터리 수명을 보다 길게 할 수 있기 때문이다. 또한, 저전력 반도체 메모리 장치의 채용은 배터리의 사이즈를 상대적으로 작게 하는데 기여할 수 있으므로 전자기기의 전체 사이즈는 축소될 수 있다. 특히, 비디오 이미지 처리 및 언어 인식등의 응용분야에서는 대용량의 반도체 메모리 장치가 사용되고 있는데, 억세스시의 전력소모를 줄이는 것이 전체 시스템의 전력소모를 최소화하기 위해 필요해진다.BACKGROUND With the widespread popularity and miniaturization of electronic devices such as portable devices, large scale integrated circuits such as semiconductor memory devices employed therein are required to operate at low power. This is because a semiconductor memory device operating at lower power can extend battery life for supplying power to a portable device. In addition, the adoption of a low power semiconductor memory device can contribute to making the size of the battery relatively small, so that the overall size of the electronic device can be reduced. In particular, a large-capacity semiconductor memory device is used in applications such as video image processing and language recognition, and it is necessary to reduce power consumption of the entire system in order to reduce power consumption during access.
반도체 메모리 장치내의 메모리 셀 어레이의 배치 구조를 변경하는 것에 의해 메모리 장치의 전력소모를 줄이는 기술이 본 분야에 알려져 있다. 도 1은 종래기술에 따른 메모리 셀 어레이의 배치 예들을 도시한 것이다. 도 1내의 좌측에 보여지는 (a)는 전형적인 메모리 셀 어레이의 배열구조를 보인 것으로서 파티션이 사용되지 않은 구조이다. 따라서, 이 경우에는 비트라인 로드가 크므로 억세스 시간이 길고 전력소모가 큰 문제가 있는 것으로 알려져 있다.Techniques for reducing power consumption of memory devices by changing the arrangement of memory cell arrays in semiconductor memory devices are known in the art. 1 shows examples of arrangement of a memory cell array according to the prior art. (A) shown on the left side in FIG. 1 shows an arrangement of a typical memory cell array, in which no partition is used. Therefore, in this case, since the bit line load is large, it is known that the access time is long and the power consumption is large.
또한, 도 1의 (b)는 동일 파티션을 적용하여 두 개의 메모리 셀 어레이 배열을 구현한 예이다. 여기서, 두 개의 배열 즉, 제1 및 제2 메모리 셀 어레이(MAL,MAS)은 각기 동일한 사이즈를 갖는다. 일반적으로 MAL(11)의 워드라인을 선택하는데 걸리는 시간보다 MAS(21)의 워드라인을 선택하는데 걸리는 시간이 빠르므로 MAS(21)의 억세스 시간과 MAL(11)의 억세스 시간은 차이가 있게 된다. 이 방식은 억세스 빈도가 랜덤한 경우에는 효과적이지만, 어드레스 재할당이 가능한 프로그램 코드에서는 그다지 효율적이지 못하다. 또한, 다른 관점에서 보면 MAS(21)의 억세스 시간과 MAL(11)억세스 시간중 최대 값이 최종적인 억세스 시간이 되므로 MAS(21)의 입장에서는 불필요한 전력 소모가 발생되는 셈이다.1B illustrates an example in which two memory cell array arrays are implemented by applying the same partition. Here, the two arrays, that is, the first and second memory cell arrays MAL and MAS, each have the same size. In general, since the time taken to select the word line of the MAS 21 is faster than the time taken to select the word line of the MAL 11, the access time of the MAS 21 and the access time of the MAL 11 are different. . This method is effective when the access frequency is random, but it is not very efficient in the program code that can be reassigned. In other respects, since the maximum value of the access time of the MAS 21 and the MAL 11 access time becomes the final access time, unnecessary power consumption is generated from the viewpoint of the MAS 21.
도 1의 (c)는 바이어스드 파티션(biased partition)을 적용하여 두 개의 메모리 셀 어레이를 배열한 예이다. 여기서, 두 개의 메모리 셀 어레이 MAS(22),MAL(12)은 서로 다른 사이즈를 갖는다. 이러한 배치 방법은 MAS(2)의 억세스에 대한 전력 소모를 크게 줄일 수 있는 장점을 갖는다. 그러나, 억세스 빈도 예측 및 어드레스 재할당에 의해 MAS,MAL 각각에 대하여 어드레스를 할당하여야 하므로 억세스 빈도가 랜덤한 응용처에는 적합하지 못한 문제점이 있다.FIG. 1C illustrates an example in which two memory cell arrays are arranged by applying a biased partition. Here, the two memory cell arrays MAS 22 and MAL 12 have different sizes. This arrangement method has the advantage of greatly reducing the power consumption for the access of the MAS (2). However, since an address must be assigned to each of the MAS and MAL by access frequency prediction and address reallocation, there is a problem that it is not suitable for applications having random access frequencies.
따라서, 본 발명의 목적은 전력의 소모를 저감 또는 최소화할 수 있는 메모리 셀 어레이 배치구조를 제공함에 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a memory cell array arrangement that can reduce or minimize power consumption.
본 발명의 다른 목적은 메모리 셀 어레이의 배치개선을 통하여 반도체 칩의 퍼포먼스의 향상을 도모하는 반도체 집적회로의 메모리 셀 어레이 배치구조를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a memory cell array arrangement of a semiconductor integrated circuit which improves the performance of a semiconductor chip by improving the arrangement of the memory cell array.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 양상(aspect)에 따른 반도체 메모리 셀 어레이 구조는, 제1 사이즈를 가지는 제1 메모리 셀 어레이와; 상기 제1 메모리 셀 어레이의 컬럼 방향으로 배치되고 상기 제1 메모리 셀 어레이의 컬럼 수와는 동일한 컬럼수를 갖게 하고 로우 수는 많게 하여 상기 제1 사이즈보다는 파티션이 큰 제2 사이즈를 가지며, 상기 제1 메모리 셀 어레이의 워드라인 억세스 타임보다는 긴 제2 메모리 셀 어레이를 동일 칩상에 형성한 것을 특징으로 한다.A semiconductor memory cell array structure according to an aspect of the present invention for achieving the above objects includes a first memory cell array having a first size; The first memory cell array is arranged in a column direction and has the same number of columns as the number of columns of the first memory cell array, and the number of rows is large, so that the partition has a second size larger than the first size. A second memory cell array longer than the word line access time of one memory cell array is formed on the same chip.
본 발명의 다른 양상에 따라, 메모리 셀 어레이를 좌우의 두 개의 파티션 사이즈로 나누고 좌측에 배열된 제1 메모리 셀 어레이의 크기와 우측에 배열된 제2 메모리 셀 어레이의 크기를 서로 다르게 배치함을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, the memory cell array is divided into two partition sizes on the left and right, and the size of the first memory cell array arranged on the left side and the size of the second memory cell array arranged on the right side are arranged differently. It is done.
도 1은 종래기술에 따른 메모리 셀 어레이의 다양한 배치 예들1 illustrates various arrangement examples of a memory cell array according to the related art.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 셀 어레이의 배치구조를 보인 도면2 is a diagram illustrating an arrangement structure of a memory cell array according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 메모리 셀 어레이의 배치구조를 보인 도면3 is a view illustrating an arrangement structure of a memory cell array according to another exemplary embodiment of the present invention.
이하에서는 억세스 빈도 예측이 어려운 응용분야에 적합한 반도체 메모리 셀 어레이의 저전력 배치구조에 대한 바람직한 실시 예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명된다.Hereinafter, a preferred embodiment of a low power arrangement of a semiconductor memory cell array suitable for an application in which access frequency prediction is difficult is described with reference to the accompanying drawings.
도 2에는 본 발명의 실시 예에 따른 메모리 셀 어레이의 배치구조가 도시된다. 도면을 참조하면, 바이어스드 파티션을 적용하여 두 개의 메모리 셀 어레이 MAS(23), MAL(13)를 배치한 예가 보여진다. 이는 바이어스드 파티션을 적용하여 서로 다른 사이즈를 갖는 두 개의 메모리 셀 어레이를 배치한 점에서는 도 1의 (c)와 같으나, 메모리 셀 어레이 MAS(23),MAL(13)의 배치를 도 1의 (c)와는 반대로 한 것이 특징이다. 도 1(b)에서 언급된 바와 같이 아래 쪽 배열(MAL)이 위쪽 배열(MAS)에 비해 에벌류에이션 시간(Teval) 즉, 워드라인 선택부터 센스앰프가 인에이블 되기 까지의 시간이 길다는 것에 주목할 필요가 있다. 따라서, 아래쪽 배열(MAL)의 크기는 증가시키고 위쪽 배열의 크기는 감소시킴으로써, 전체적으로 전력소모를 저감하고 억세스 시간을 단축할 수 있게 된다.2 illustrates a layout structure of a memory cell array according to an embodiment of the present invention. Referring to the drawings, an example in which two memory cell arrays MAS 23 and MAL 13 are arranged by applying a biased partition is shown. This is the same as in FIG. 1C in that two memory cell arrays having different sizes are arranged by applying a biased partition, but the arrangement of the memory cell arrays MAS 23 and MAL 13 is illustrated in FIG. The opposite of c) is characterized. As mentioned in FIG. 1B, the lower array MAL has a longer evaluation time than the upper array MAS, that is, a time from selecting a word line to enabling the sense amplifier. It is worth noting. Accordingly, by increasing the size of the lower array MAL and decreasing the size of the upper array, it is possible to reduce power consumption and shorten the access time as a whole.
이를 수식적으로 표현하여 증명하면 아래와 같다. 도 2에서 아래쪽 배열(MAL)의 구조 특정변수는 다음과 같다.If this is expressed as a formula, it is as follows. In FIG. 2, the structure specific variables of the bottom array MAL are as follows.
비트라인 로드 :Cmal Evaluation Time : Tmal Voltage Swing:deltaVmalBitline Load: Cmal Evaluation Time: Tmal Voltage Swing: deltaVmal
이에 비해 위쪽 배열(MAS)의 구조 특정변수는 다음과 같다.In contrast, the structure-specific variables of the upper array (MAS) are as follows.
비트라인 로드 : Cmas Evaluation Time : Tmas Voltage Swing:deltaVmasBitline Load: Cmas Evaluation Time: Tmas Voltage Swing: deltaVmas
전력 소모는 전하량에 비례하므로Since power consumption is proportional to the amount of charge
아래쪽 소모 전하량= leval*Tmal=Cmal*deltaVmal --- (식 1)Lower charge consumption = leval * Tmal = Cmal * deltaVmal --- (Equation 1)
위쪽 소모 전하량= leval*Tmas=Cmas*deltaVmas ---- (식 2)Top Consumption Charge = leval * Tmas = Cmas * deltaVmas ---- (Equation 2)
로 나타나고, 여기서 leval은 비트 셀 즉 메모리 셀의 전류 구동능력을 나타낸다. 메모리 배열내의 모든 메모리 셀의 위치에서의 전압 스윙은 동일하게 해주는 것이 상적이므로 위의 식 1,2에서 deltaVmal=deltavmas가 되도록 수식을 정리하면 다음과 같은 관계식을 얻는다.Where leval represents the current driving capability of the bit cell, that is, the memory cell. Since the voltage swings at all memory cell positions in the memory array are equal, it is normal to arrange the equations such that deltaVmal = deltavmas in Equations 1 and 2 above.
즉, Tmal/Cmal=Tmas/Cmas ---- (식 3)Tmal / Cmal = Tmas / Cmas ---- (Equation 3)
이 수식은 Tmal/Tmas = Cmal/Cmas로 전개되므로 Tmal>Tmas 이면 Cmal>CmasThis formula expands to Tmal / Tmas = Cmal / Cmas, so if Tmal> Tmas, then Cmal> Cmas
가 되어야 함을 알 수 있다.It can be seen that
이와 같이, 메모리 셀 어레이의 배치를 평면 상에서 상하 두 개로 나누고 아래쪽의 배열의 크기가 위쪽 배열의 크기보다 큰 비대칭 배치구조를 가지면 저전력 소모가 실현된다.As such, when the arrangement of the memory cell array is divided into two top and bottom on a plane, and the lower array has an asymmetrical arrangement in which the size of the lower array is larger than that of the upper array, low power consumption is realized.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 메모리 셀 어레이의 배치구조를 보인 도면이다. 도면을 참조하면, 비대칭 워드라인 배열 구조를 통하여 저전력을 구현하는 배치구조가 보여진다. 이는 바이어스드 파티션을 적용하여 두 개의 배열 MAS와 MAL의 사이즈에 차이를 두는 방식인데 이 점에서는 도 1의 (c)와 동일하다. 그러나 도 1(c)처럼 비대칭 비트라인 배열을 사용함이 없이 비대칭 워드라인 배열MAS(100)와 MAL(101)을 구현한 것이 특징이다. 도 3에서는 좌우의 비대칭 워드라인 배열(100,101), 워드라인 디코더(200), 비대칭 배열 선택스위치(300,301), 주 제어회로(400), 해당 배열 컬럼 라인 디코더(500,501), 해당 배열 센스 앰프 및 입출력 회로(600,601), 및 배열간 입출력 회로 컨넥터(700)의 구성이 보여진다. 로우 디코더(200)는 상기 MAS(100)와 MAL(101)에 공유되고, 컬럼 디코더(500,501)와 센스 앰프(600,601)는 MAS(100)와 MAL(101)에 각기 독립적으로 연결된다.3 is a diagram illustrating an arrangement of a memory cell array according to another exemplary embodiment of the present invention. Referring to the drawings, an arrangement structure for implementing low power through an asymmetric wordline arrangement is shown. This method applies a biased partition to make a difference in the sizes of the two arrays MAS and MAL, which is the same as in FIG. However, the asymmetric word line array MAS 100 and the MAL 101 are implemented without using the asymmetric bit line array as shown in FIG. In FIG. 3, the left and right asymmetric word line arrays 100 and 101, the word line decoder 200, the asymmetric array selection switch 300 and 301, the main control circuit 400, the corresponding array column line decoders 500 and 501, the corresponding array sense amplifiers and input / output The configuration of the circuits 600 and 601 and the inter-array input / output circuit connector 700 is shown. The row decoder 200 is shared by the MAS 100 and the MAL 101, and the column decoders 500 and 501 and the sense amplifiers 600 and 601 are independently connected to the MAS 100 and the MAL 101, respectively.
여기서, 데이터 억세스 빈도가 높은 데이터를 지니는 어드레스는 작은 사이즈의 메모리 배열인 MAS(100)에 할당하는 것이 바람직하다. 만약, 큰 메모리 셀 어레이의 배열에 할당되어 있는 어드레스의 데이터 억세스 빈도가 높은 경우에는 작은 메모리 배열 MAS(100)의 어드레스로 재할당을 하여야 한다. 다시 말하면 메모리 억세스는 작은 메모리 배열 MAS(100)에 집중되어야 한다. 이를 구현하기 위해서는 우선 메모리 데이터의 억세스 빈도를 예상하고 이에 따라 데이터를 재배열함으로써 이루어진다.Here, it is preferable to assign an address having data having a high data access frequency to the MAS 100 which is a small memory array. If the data access frequency of an address allocated to an array of a large memory cell array is high, it must be reassigned to an address of the small memory array MAS 100. In other words, memory access should be concentrated in the small memory array MAS 100. In order to implement this, first, the access frequency of the memory data is estimated and the data is rearranged accordingly.
따라서, 상기한 바와 같은 메모리 셀 어레이 배치에 따르면, 데이터 억세스시 메모리 장치가 소모하는 전력을 최소화 또는 저감할 수 있으므로, 칩의 퍼포먼스 향상이 도모된다.Therefore, according to the arrangement of the memory cell array as described above, since the power consumed by the memory device during data access can be minimized or reduced, the performance of the chip can be improved.
상기한 설명에서 본 발명의 실시 예를 위주로 도면을 따라 예를 들어 설명하였지만 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 본 발명을 변형 또는 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게는 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경 역시 본 발명의 특허청구범위에 속한다 할 것이다. 예를 들어, 사안이 다른 경우에배치를 변경하거나 회로의 구성블럭들을 타의 등가적 소자들로 대치 할 수 있음은 물론이다.Although the above description has been given by way of example only with reference to the accompanying drawings, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be modified or changed within the scope of the technical idea of the present invention. Or change will also belong to the claims of the present invention. For example, if the matter is different, the arrangement may be changed or the component blocks of the circuit may be replaced with other equivalent elements.
상기한 바와 같은 본 발명의 메모리 셀 어레이 배치에 따르면 저전력 동작 구현이 보장되는 효과가 있다. 따라서, 보다 고속의 휴대용 기기에 적합하게 채용될 수 있다.According to the arrangement of the memory cell array of the present invention as described above, there is an effect of ensuring low power operation. Therefore, it can be suitably employed in a higher speed portable device.
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KR1020020003498A KR20030062987A (en) | 2002-01-22 | 2002-01-22 | memory cell array architecture for use in low power semiconductor device |
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