1. Storage Capacitor

DRAM Storage Cell 使用 Storage Capacitor 來儲存 Bit 資訊。

從原理層面上看，一個最簡單的，儲存一個 Bit 資訊的 DRAM Storage Cell 的結構如下圖所示：

由以下 4 個部分組成：

• Storage Capacitor，即儲存電容，它通過儲存在其中的電荷的多和少，或者說電容兩端電壓差的高和低，來表示邏輯上的 1 和 0。
• Access Transistor，即訪問電晶體，它的導通和截止，決定了允許或禁止對 Storage Capacitor 所儲存的資訊的讀取和改寫。
• Wordline，即字線，它決定了 Access Transistor 的導通或者截止。
• Bitline，即位線，它是外界訪問 Storage Capacitor 的唯一通道，當 Access Transistor 導通後，外界可以通過 Bitline 對 Storage Capacitor 進行讀取或者寫入操作。

Storage Capacitor 的 Common 端接在 Vcc/2。 當 Storage Capacitor 儲存的資訊為 1 時，另一端電壓為 Vcc，此時其所儲存的電荷

Q = +Vcc/2 / C

當 Storage Capacitor 儲存的資訊為 0 時，另一端電壓為 0，此時其所儲存的電荷

Q = -Vcc/2 / C

1.1 資料讀寫原理

從上面的結構圖上分析，我們可以很容易的推測出 DRAM Storage Cell 的資料讀寫流程：

1. 讀資料時，Wordline 設為邏輯高電平，開啟 Access Transistor，然後讀取 Bitline 上的狀態
2. 寫資料時，先把要寫入的電平狀態設定到 Bitline 上，然後開啟 Access Transistor，通過 Bitline 改變 Storage Capacitor 內部的狀態。

然而，在具體實現上，如果按照上面的流程對 DRAM Storage Cell 進行讀寫，會遇到以下的問題：

1. 外界的邏輯電平與 Storage Capacitor 的電平不匹配 由於 Bitline 的電容值比 Storage Capacitor 要大的多（通常為 10 倍以上），當 Access Transistor 導通後，如果 Storage Capacitor 儲存的資訊為 1 時，Bitline 電壓變化非常小。外界電路無法直接通過 Bitline 來讀取 Storage Capacitor 所儲存的資訊。

2. 進行一次讀取操作後，Storage Capacitor 儲存的電荷會變化 在進行一次讀取操作的過程中，Access Transistor 導通後，由於 Bitline 和 Storage Capacitor 端的電壓不一致，會導致 Storage Capacitor 中儲存的電荷量被改變。最終可能會導致在下一次讀取操作過程中，無法正確的判斷 Storage Capacitor 記憶體儲的資訊。

3. 由於 Capacitor 的物理特性，即使不進行讀寫操作，其所儲存的電荷都會慢慢變少 這個特性要求 DRAM 在沒有讀寫操作時，也要主動對 Storage Capacitor 進行電荷恢復的操作。

為解決上述的問題，DRAM 在設計上，引入了 Differential Sense Amplifier。

2. Differential Sense Amplifier

Differential Sense Amplifier 包含 Sensing Circuit 和 Voltage Equalization Circuit 兩個主要部分。它主要的功能就是將 Storage Capacitor 儲存的資訊轉換為邏輯 1 或者 0 所對應的電壓，並且呈現到 Bitline 上。同時，在完成一次讀取操作後，通過 Bitline 將 Storage Capacitor 中的電荷恢復到讀取之前的狀態。

在後面的小節中，我們通過完整的資料讀取和寫入過程，來了解 Differential Sense Amplifier 工作原理。

2.1 Read Operation

一個完整的 Read Operation 包含了，Precharge、Access、Sense、Restore 四個階段。後續的小節中，將描述從 Storage Capacitor 讀取 Bit 1 的完整過程。

2.1.1 Precharge

在這個階段，首先會通過控制 EQ 訊號，讓 Te1、Te2、Te3 電晶體處於導通狀態，將 Bitline 和 /Bitline 線上的電壓穩定在 Vref 上, Vref = Vcc/2。然後進入到下一個階段。

2.1.2 Access

經過 Precharge 階段， Bitline 和 /Bitline 線上的電壓已經穩定在 Vref 上了，此時，通過控制 Wordline 訊號，將 Ta 電晶體導通。Storage Capacitor 中儲存正電荷會流向 Bitline，繼而將 Bitline 的電壓拉昇到 Vref+。然後進入到下一個階段。

2.1.3 Sense

由於在 Access 階段，Bitline 的電壓被拉昇到 Vref+，Tn2 會比 Tn1 更具導通性，Tp1 則會比 Tp2 更具導通性。 此時，SAN (Sense-Amplifier N-Fet Control) 會被設定為邏輯 0 的電壓，SAP (Sense-Amplifier P-Fet Control) 則會被設定為邏輯 1 的電壓，即 Vcc。由於 Tn2 會比 Tn1 更具導通性，/Bitline 上的電壓會更快被 SAN 拉到邏輯 0 電壓，同理，Bitline 上的電壓也會更快被 SAP 拉到邏輯 1 電壓。接著 Tp1 和 Tn2 進入導通狀態，Tp2 和 Tn1 進入截止狀態。 最後，Bitline 和 /Bitline 的電壓都進入穩定狀態，正確的呈現了 Storage Capacitor 所儲存的資訊 Bit。

2.1.4 Restore

在完成 Sense 階段的操作後，Bitline 線處於穩定的邏輯 1 電壓 Vcc，此時 Bitline 會對 Storage Capacitor 進行充電。經過特定的時間後，Storage Capacitor 的電荷就可以恢復到讀取操作前的狀態。

最後，通過 CSL 訊號，讓 Tc1 和 Tc2 進入導通狀態，外界就可以從 Bitline 上讀取到具體的資訊。

2.1.5 Timing

整個 Read Operation 的時序如下圖所示，其中的 Vcc 即為邏輯 1 所對應的電壓，Gnd 為邏輯 0。

3. Write Operation

Write Operation 的前期流程和 Read Operation 是一樣的，執行 Precharge、Access、Sense 和 Restore 操作。差異在於，在 Restore 階段後，還會進行 Write Recovery 操作。

3.1 Write Recovery

在 Write Recovery 階段時，通過控制 WE (Write Enable) 訊號，讓 Tw1 和 Tw2 進入導通狀態。此時，Bitline 會被 input 拉到邏輯 0 電平，/Bitline 則會被 /input 拉到邏輯 1 電平。 經過特定的時間後，當 Storage Capacitor 的電荷被 Discharge 到 0 狀態時，就可以通過控制 Wordline，將 Storage Capacitor 的 Access Transistor 截止，寫入 0 的操作就完成了。

4. 參考資料

1. Memory Systems - Cache Dram and Disk

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