그간 웨어러블 디바이스, 헬스케어 장비 및 스마트 미터 등 저전력 시스템에서 오래 지속되는 축전지 방전시간 연장에 대한 강한 요구가 존재했다. 이러한 시스템에 사용되는 MCU의 전력을 줄이는 데 많은 어려움이 존재하지만 프로세스 세대가 진보하면서 누설전류(leakage current) 증가가 활성전력소비만큼이나 문제가 됐다. 대기모드시 데이터를 저장하는 RAM상의 누설전류를 감소시키는 것은 특히 중요하다.
전형적인 MCU는 대기전류가 1μA 미만인 딥 슬립모드에서 전력소실을 줄여준다. 하지만 이 때문에 전형적인 SRAM은 데이터를 저장할 수 없게 되는데 왜냐하면 SRAM은 1μA보다 높은 대기전류를 필요로 하기 때문이다. 결과적으로 딥 슬립모드에서 시스템이 다시 활성화 될 때 데이터를 다시 불러오는데 오랜 시간이 걸리게 된다.
백업 RAM으로서 FRAM을 사용하게 되면 이러한 리로드 문제는 없애주지만 FRAM은 SRAM보다 훨씬 느리고 더 많은 활성전력을 소비할 뿐 아니라 프로세스 비용도 더 많이 든다.
도시바는 65나노미터 프로세스에서 제작되었을 때 비트당 27fA의 누설전류가 발생해 기존 SRAM보다 천배 가량 더 누설율이 낮은 극저누설 SRAM(eXtremely Low Leakage SRAM: XLL SRAM)을 개발했다. 이는 65나노테크 기술 이상의 SRAM 관련 데이터에서 나타난 것보다 낮은 수준이다. 신규 SRAM은 100K바이트 가량의 용량을 가진 백업메모리에서 한번의 배터리 충전으로 10년 이상 데이터를 저장할 수 있다.
최신 프로세스 기술로 제작된 MOSFET은 게이트 누설, 게이트에 유기된 드레인 누설 전류(GIDL) 및 채널 누수 등이 더 높다. 도시바는 이러한 누설 요인을 감소시키기 위해 두터운 게이트 옥사이드, 긴 채널 길이 및 최적의 소스 드레인 디퓨전 프로필 등의 특징을 가진 저누설 트랜지스터를 개발했으며 이를 SRAM 메모리셀에 적용했다.
도시바는 몇 가지 혁신적인 누설감소회로를 개발했다. 그 중 하나는 메모리셀 NMOS에 역 백바이어스(reverse back-bias)를 적용한 소스 바이어스 회로이며 또 다른 제품은 데이터 보존 중에 주변회로로 가는 공급전압을 차단해준다.
저누설 트랜지스터는 전반적인 셀 부분을 키워서 기존 트랜지스터보다 크다. 도시바는 1.2V 공급전압 조건 하에 해당 기기의 원래 설계법칙에 따라 설계된 것과 비교했을 때 셀 사이즈를 20% 정도 줄일 수 있었다. 일반적으로 대형 트랜지스터 회로는 활성전력소실이 더 크다.
도시바는 ‘쿼터 어레이 액티베이션 스킴(Quarter Array Activation Scheme, QAAS)’과 ‘전하공유 계층적 비트라인(Charge Shared Hierarchical BitLine, CSHBL)’ 전력감소회로를 적용해 이 같은 문제를 억제했다.
읽기호출시간이 7ns인 SRAM은 극도로 낮은 누설전류 때문에 저전력 MCU에서 작동 RAM으로 딥 슬립모드에서 백업 RAM으로 사용되기에 충분할 정도로 빠르다. 시스템이 데이터 리로딩을 없애주기 때문에 딥 슬립모드에서 활성화되는 시간은 빨라진다.
도시바는 2014년에 출시되는 제품에 해당 SRAM을 사용하기로 계획중이며 앞으로 나올 배터리 사용 제품에 범용으로 사용할 수 있게 되길 기대하고 있다.
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