I nte rna t io na l J o urna l o f   Rec o nfig ura ble a nd   E m be dd e d Sy s t e m s   ( I J R E S)   Vo l.   8 ,   No .   2 J u l y   201 9 ,   p p .   1 0 7 ~1 1 3   I SS N : 2 0 8 9 - 4864 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /i j r es . v 8 . i2 . p p 1 0 7 - 1 1 3          107       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s co r e. co m/jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JR E S   Co m pa riso n ana l y sis  of t hree  va lue log ic  8 CNTFE T SRAM   cell   w ith  6   CM O S  SRAM  c ell   a 3 2 n m  t ec hno lo g y       S.T a m il Se lv a n M . Su nd a ra ra j a n   Bh a ra th   In sti tu te  o f   Hig h e Ed u c a ti o n   a n d   Re se a rc h   Ch e n n a i,   T a m i Na d u ,   I n d ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ja n   27 ,   2 0 1 9   R ev i s ed   A p r   20 ,   2 0 1 9   A cc ep ted   Ma y   5 ,   2 0 1 9       T h is  p a p e p ro p o se d   a   n e w   c o n c e p o f   h ig h ly   S NM  a n d   lo w   p o we S R A M   c e ll   u sin g   c a rb o n   n a n o t u b e   F E T (CN T F ET s)  a 1 8 n m   tec h n o lo g y   n o d e .   A d e v ic e   p h y sic a g a t e   len g th   is  re d u c e d   t o   b e lo w   6 5   n m ,   d e v ice   n o n - id e a li ti e su c h   a larg e   p a ra m e t e v a riatio n a n d   e x p o n e n ti a i n c re a se   in   D y n a m ic  lea k a g e   c u rre n m a k e   t h e   I - V   c h a ra c teristics   su b sta n ti a ll y   d i ff e re n t   f ro m   trad it io n a M OSF ET a n d   b e c o m e   a   s e rio u o b sta c le  to   sc a le  d e v ice s.  CNFE T h a v e   r e c e i v e d   w id e sp re a d   a tt e n ti o n   a o n e   o f   th e   p ro m isin g   su c c e ss o to   M OSF ET s.  T h e   p ro p o se d   c ircu it   w a si m u late d   in   HSP ICE   u sin g   3 2 n m   S tan f o rd   CNFE T   m o d e l.   A n a l y sis  o f   th e   re su lt sh o w th a th e   p ro p o se d   CNT F E T   b a se d   3 V L   8 T   S RA M   c e ll ,   p o w e d issip a ti o n ,   a n d   sta b il it y   su b sta n ti a ll y   i m p ro v e d   c o m p a re d   w it h   th e   c o n v e n ti o n a CM OS  6 T   S RA M   c e ll   b y   5 1 %   a n d   5 8 %   re sp e c ti v e l y   a th e   e x p e n se   o f   4 %   w rit e     d e lay   in c re a se .   K ey w o r d s :   3   V L   CM OS     CNT F ET   S RA M     Co p y rig h ©   201 9   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   S.T am il Se lv a n   B h ar ath   I n s tit u te  o f   Hi g h er   E d u ca tio n   a n d   R esear c h ,   C h e n n ai,   T am il Na d u ,   I n d ia .   E m ail:  ta m il s el v an . s k @ g m a il. co m       1.   I NT RO D UCT I O N     Fo r   th e   f o r eseea b le  f ea t u r e,   s tatic   r an d o m   ac ce s s   m e m o r y   ( SR AM )   w ill   li k el y   r e m ai n   a s   t h e   e m b ed d ed   m e m o r y   tec h n o lo g y   o f   c h o ice  f o r   m a n y   m icr o p r o ce s - s o r s   an d   s y s te m s   o n   c h ip s   ( So C s )   d u e   to   t h s p ee d   ad - v an tag a n d   co m p at ib ilit y   w i th   s tan d ar d   l o g ic  p r o ce s s - e s .   W ith   t h ad v e n o f   So C ,   th d esi g n   o f   h ig h l y   s tat ic  an d   L o w   p o w e r   ef f icie n S R A s tr u ct u r es   h as  b ec o m h i g h - l y   d esira b le.   T h er ef o r e,   it  is   ess e n tial  to   d ev elo p   Dy n a m ic  lo w   p o w er   SR A d e s ig n   tech n iq u f o r   th n e d ev ice  tech n o lo g y     s u c h   as C NT FET .   C ar b o n   Nan o t u b Field   E f f ec T r an s is to r   ( C NFET )   is   th m o s p r o m i s in g   tec h n o lo g y   to   ex ten d   o r   co m p le - m e n th tr ad itio n a s ilico n   tec h n o lo g y   d u to   t h f o l - lo w i n g   th r ee   r ea s o n s First,  th o p er atio n   p r in cip le  an d   th d ev ice  s tr u ctu r ar s i m ilar   to   C MO d ev ices,  an d   t h estab lis h ed   C MO d esi g n   in f r astru ct u r ca n   b u tili s ed .   Seco n d ,   t h C MO f ab r icat io n   p r o ce s s   ca n   s till   b u til i s ed .   An d   t h m o s t   i m p o r tan r ea s o n   is   th a C NF E T   h as  th b est  ex p er i m e n tall y   d e m o n s tr ated   d e - v ice  c u r r en ca r r y i n g   ca p a b ilit y   s o   f ar .   Se v er al  r e - s ea r ch es   h a v b ee n   d o n to   e s ti m ate  t h p er f o r m a n ce   o f   C N FET   at  s in g le  d ev ice  le v el  in   th p r esen ce   o f   p r o ce s s   r elate d   n o n - id ea li ties   a n d   i m p er f ec t io n s   at  t h 3 2   n m   tec h n o lo g y   n o d u s i n g   co m p ac t   C NFET   SP I C E   m o d el  [ 1 ,   2 ] .   I n   th i s   p ap er ,   as  cir cu it   lev e d esig n   o f   C NT FET ,   n o v el  lo w   p o w er   an d   h ig h l y   s tab le  3   VL   8 T   SR A M   ce ll  d es ig n   is   p r o p o s ed   an d   it s   p er f o r m a n ce   an d   v i ab ilit y   ar e   d e m o n s tr ated   b y   p er f o r m i n g   v ar io u s   s i m u lat io n s .   T h s tab ilit y   a n d   p o w er   co n s u m p tio n   o f   t h 8 T   SR A c ell  b ased   o n   C NT FET   ar e   co m p ar ed   w it h   t h at   o f   t h co n v en t io n al  C MO 6 T   SR A ce ll   d esig n   to   s h o w   t h co m p ar is o n   o f   t h C NT FET   b ased   SR A ce ll  d esi g n .   C o m p ar is o n T h cir cu it  s i m u latio n   i n   th is   p ap er   u s es  3 2 n m   C NF E T   HSP I C E   m o d el   th at  in cl u d es  t h p r ac tical   de - v ice  n o n - id ea liti e s   f o r   C NF E T   [ 3 ,   4 ]   an d   th 3 2 n m   B SIM   PT ( p r e d ictiv e   tech n o lo g y   m o d el)   f o r   Si MO SF E T   [ 5 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   20 89 - 4864   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t     Vo l.  8 ,   No .   2 J u ly   2 0 1 9 :   1 0 7     1 1 3   108   T h is   p ap er   is   o r g an i s ed   in   t h f o llo w in g   m a n n er T h c h ar ac ter is tic s   an d   p h y s ical  f ea tu r es  o f   C NT FET   T r an - s i s to r   ar ex p lain ed   in   s ec tio n   I I ,   s e ctio n   I I I   d escr ib es  th 3 v alu lo g ic  an d   s ec tio n   I V   d escr ib es,  th m ec h a - n is m s   o f   th r ea d   an d   w r i te  o p er atio n s   o f   th p r o p o s ed   8 T   C NT FE T   SR A ce ll  a n d   t h s ch e m es  f o r   d ec id in g   t h n u m b er   o f   n an o tu b es  o f   ea ch .   T h s i m u lat io n   r e - s u l ts   ar p r esen t ed   in   s ec ti o n   I to   co m p ar t h p er - f o r m a n ce   a n d   v iab il it y   o f   t h C NT FET   tech n o lo g y   w it h   t h at  C MO tech n o lo g y ,   a n d   f o llo w ed   b y   t h co n cl u s io n   i n   Sectio n   V.       2.   CNTFE T   T RANS I S T O   C ar b o n   n an o t u b Field   E f f ec t   tr an s is to r s   ( C NT FET s )   u tili s s e m ico n d u cti n g   s i n g le - w all   C NT s   to   ass e m b le   elec tr o n ic   d ev ice s C NT FET s   h av b ee n   s h o w n   t o   h av e   s i m ilar   p r o p er ties   to   MO SF E T s .   A   s i n g le - w all   ca r b o n   n a n o t u b ( o r   SW C NT )   co n s is t s   o f   o n l y   o n e   c y lin d er ,   an d   t h s i m p le   m an u f a ctu r in g   p r o ce s s   o f   th is   d e v ice  m a k e s   it  v er y   p r o m i s i n g   alter n ati v to   to d a y s   C MO tec h n o lo g ies.  An   S W C NT   ca n   ac as  eith er   co n d u cto r   o r   s em ico n d u cto r   d ep en d in g   o n   th a n g l o f   th ato m ar r a n g e m e n alo n g   t h tu b e.   T h is   is   r ef er r ed   to   as  t h c h ir alit y   v ec to r   an d   is   r ep r esen ted   b y   t h i n te g er   p air   ( n ,   m )   [ 6 ] .   s i m p le  m et h o d   to   d eter m in i f   ca r b o n   n a n o tu b is   m etallic  o r   s e m ico n d u cti n g   is   b a s ed   o n   co n s id er in g   th e   in d ices  ( n ,   m ) ,   i.e th n a n o tu b is   m etall ic  if   n = m   o r   n - m =3 w h er is   a n   in t eg er .   Oth er - w is e,   t h tu b is   s e m ico n d u cti n g .   T h d ia m eter   o f   t h C NT   ca n   b ca lcu lated   f r o m   [ 6 ]   as  f u n c tio n   o f   m   an d   n .   F ig u r e   1   s h o w s   t h s c h e m atic   d iag r a m   o f   t h C NT FET   [ 6 ] .   Si m i lar   to   th s il ico n   d ev ice  t h C NT FET   h as  f o u r   ter m i n al s ,   d ielec tr ic  f il m   is   w r ap p ed   ar o u n d   p o r tio n   o f   th u n d o p ed   s em ico n d u cti n g   n a n o tu b e,   an d   m etal  g at s u r r o u n d s   th e   d ielec tr ic.   Fig u r e   2   s h o w s   t h eq u iv a - le n cir cu i m o d el  i m p l e m en ted   in   HSP I C E   as  p r o p o s ed   in   [ 6 ] .   Hea v il y   d o p ed   C NT   s eg m en ts   ar p lace d   b e - t w ee n   th g ate  an d   t h e   s o u r ce /d r ain   to   allo w   f o r   lo w   s er i e s   r esis ta n ce   d u r in g   th o n - s tate  [ 7 ] .   A s   t h g ate  p o ten tial  i n cr ea s es,  t h d ev ice  is   elec tr o s tatic - all y   tu r n ed   o n   o r   o f f     v ia  th g ate.   T h cu r r en t - v o ltag ( I - V)   ch ar ac ter is tics   o f   th C NT FET   ar e   s h o w n   in   F ig u r e   3 ,   an d   th e y   a r s i m ilar   to   th o s o f   MO S FET .   T h C NT FE T   d ev ice  cu r r en i s   s a t -   u r ated   at  h ig h er   Vd s   ( d r ain   t o   s o u r ce   v o lta g e)   as   ch an - n el  l e n g t h   i n cr ea s es   as  s h o w n   i n   F ig u r e   3 ,   an d   th e   o n - c u r - r en d ec r ea s e s   d u e   to   e n er g y   o p ti m is atio n     in   th a x ial.               ( a)   ( b )       Fig u r 1 .   Sch e m atic  d iag r a m   o f   ca r b o n   n an - o tu b tr an s is t o r   ( C NT FE T ) :   ( a)   s ec tio n al  v ie w ; ( b )   to p   v ie w     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t   I SS N:  2089 - 4864       C o mp a r is o n   a n a lysi s   o f th r ee   va lu lo g ic  8 T   CN TFE T S R A ce ll  w ith   6   C MOS   S R A M…  ( S . Ta mil S elva n )   109       Fig u r 2 .   E q u iv ale n t c ir cu it  m o d el  f o r   th in - tr in s ic  ch a n n el  r eg io n   o f   C NT FET       3.   T H RE E   VA L UE   L O G I D E SI G N   th r ee - v alu e   lo g ic   s y s te m   was  f ir s d e v elo p ed   b y   J an   L u k asie w icz,   i n   1 9 2 0 ,   in   its   p o p u lar   p ap er   L o g - ice  T r ´ o j w ar k o s cio e w j   [ 8 ] ,   as  ab s tr ac tio n   o f   th tr ad i - ti o n al  b in ar y   lo g ic.   T h r ee - v al u lo g ic  s y s te m   h a s   b etter   ch ar ac ter is tic  co m p ar ed   to   p r ev io u s   b i n ar y   s y s te m   s u ch   as  in cr ea s ed   b it  h a n d lin g   ca p ab ilit y   p er   u n it   ar ea ,   r e - d u ce d   n u m b er   an d   co m p lex i t y   o f   in ter co n n ec t io n s ,   as  w e ll a s   r ed u ce d   n u m b er   o f   ac tiv FET s   in s id a   ch ip .   Hen ce ,   in   t h cir cu i wh ich   d es ig n s   b ase  o n   t h r ee - v al - u ed   lo g ic,   cir cu it s   w ill  b s i m p ler   an d   m o r e   f le x ib le  also   m o r ea s y .   B y   u s i n g   T h r ee - V L   h ig h er   SN an d   less   p o w er   D y n a m ic   d is s ip atio n   w i ll  b e   ac h iev ed   [ 9 10 ] .   T o   o b tain   3 v alu e   lo g ic  s y s te m   w e   n ee d   t h r ee   v alu e s ,   i n   co n v e n - tio n al   b in ar y   s y s te m   we   h av e   t w o   lo g ics  v al u es   0   a n d   1 ,   th e s lo g ics  r ep r ese n ted   b y   0 a n d   Vd d   r esp ec ti v e - l y .   B y   s u p p le m e n ti n g   o n s tate   b et w ee n   th e s t w o   lo g - ic s   o f   co n v en tio n al  b i n ar y   s y s te m   ter n ar y   lo g ic   s y s te m   ca n   b ac h iev ed .   I n   3 v alu lo g ic  s y s te m   v al u es  r ep r e - s e n ted   b y   0 V,   Vd d /2   an d   Vd d   w h ic h   d en o t 0 ,   1   an d   2   r esp ec tiv el y . d ir ec tio n   at  3 2 - n m   ( o r   less )   g ate  le n g th   [ 6 ] .   I n   p r in cip le,   3 VL   ca n   p r o v id m ea n s   o f   in cr ea s in g   d ata  p r o ce s s in g   ca p ab ilit y   p er   u n i t   ch ip   ar ea .   T h s er ial  an d   s er ial - p ar allel  ar ith m etic  f u n ctio n s   ca n   b c ar r ied   o u f aster   if   t h 3 v al u e   lo g ic  is   e m p lo y ed .   On o f   th m ai n   m er its   o f   3 v a lu lo g ic  is   t h at  it   r ed u ce s   t h n u m - b er   o f   r eq u ir ed   co m p u tat io n   s tep s .   As  ea ch   in p u t   ca n   h a v t h r ee   d is ti n ct  v alu e s ,   t h n u m b er   o f   d i g it s   r eq u ir ed   in   3 V L   f a m il y   i s   lo g 3 2   ti m e s   le s s   t h a n   th at  r eq u ir ed   in   b in ar y   lo g ic.   I is   ass u m ed   th at  3 v al u lo g ic  ele m e n ts   ca n   o p er ate  at  s p ee d   ap p r o ac h in g   t h at   o f   t h co r r e - s p o n d i n g   b in ar y - lo g ic  ele m e n ts .   Ho w e v er ,   i f   t h 3 V L   a n d   b in ar y   lo g ic  g a t es  ar u s ed   to   ta k e   ad v an ta g o f   th e ir   r esp ec tiv e   m er its ,   p er f o r m a n ce   co u ld   b s ig n i f i - ca n tl y   i m p r o v ed   b e ca u s 3 v alu e   lo g ic   g ates  ar g o o d   ca n d id ate  f o r   d ec o d in g   b lo ck   s i n ce   it  r eq u ir es  less   n u m b er   o f   g a tes  w h ile   b in ar y   lo g ic  g ate s   ar g o o d   ca n d id ate  f o r   f ast  co m p u tatio n   m o d u le s .   T h u s ,   3 v alu d es ig n   tech n iq u co m b i n ed   w i th   t h b in ar y   lo g ic  g ate  d esi g n   tec h n iq u also   p r o v id es  a n   ex ce llen s p ee d   an d   p o w er   co n s u m p tio n   c h ar ac ter is tic s   i n   m e m o r y   cir cu it s .   T h r ee   v alu lo g ic  f u n ct io n s   ar d ef in ed   as  t h f u n ctio n s   h av i n g   co n v in c in g   i f   th ir d   v alu i s   in tr o d u ce d   i n   to   t h b i n ar y   lo g ic .   Her e,   0 ,   1 ,   a n d   2   d en o te  t h 3   lo g ic  v al u es  to   r ep r ese n t   tr u e,   i n ter m ed iate,   an d   f a ls e,   r esp ec - ti v el y .   An y   n - v ar iab le   {Z 1   , .   .   . , Z n 3   v alu e   lo g ic   f u n c - tio n   f ( Z )   i s   d ef i n ed   as  a   lo g i c   f u n ctio n   m ap p in g   {0 , 1 , 2 n   to   {0 , 1 , 2 },   w h er Z = { Z 1   , .   .   . , Z n }.   T h b as ic  o p er a - tio n s   o f   3 v alu e   lo g ic  ca n   b e   d ef in ed   as  f o llo w s ,   w h er Z i, Z j   {0 , 1 , 2 }     Z |   Z j = m a x { Z i, Z j }     Z &   Z j = m in { Z i, Z j }   Zi = 2 −  Z i     W h er −‖   d en o tes  t h ar ith m etic  s u b tr ac tio n ,   t h o p er - ati o n s   ―| , ‖    & , ‖  a n d   −‖   ar r ef er r ed   to   as   th O R ,   A ND,   an d   NOT   in   3 v alu lo g ic,   r esp ec ti v el y .   T h 3   v alu lo g ic  g a tes  ar d esi g n ed   ac co r d in g   to   th e   co n v e n - tio n   d e f in ed   i n   ab o v eq u atio n .   Her w o r k   t h s e { 0 ,   1 ,   2 is   u s ed ,   w h er 0 = f al s e,   1 in ter m ed iate,   an d   2 = tr u e.   T ab le  1   s h o w s   th e   tr u th   tab le  o f   all  t h b asic 3 V al - u lo g ic  g ates.  T h ch o ice  o f   th e s v al u e s   lead s   in   m o r n at u r al  w a y   th ad a p tatio n   o f   th id ea s   f r o m   t h b in ar y   lo g ic .       4.   P RO P O SE 8 T   CN T F E T   S RAM   CE L L     A   n e w   3   VL   8 T   C NT FET   SR A ce ll  s tr u ct u r is   p r o p o s ed   in   th i s   p ap er   to   in cr ea s SNM  an d   to   r ed u ce   th p o w er   co n s u m p tio n   o f   t h SR AM   ce ll.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   20 89 - 4864   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t     Vo l.  8 ,   No .   2 J u ly   2 0 1 9 :   1 0 7     1 1 3   110   4 . 1 .     8 T   SRAM   Cell  D esig n   T h n ee d   o f   8 T - SR A M   h a s   o r i g in a ted   f r o m   t h f ac t t h at  t h 6 T   SR A h as  m o r p o w er   co n s u m p t io n   an d   les s   i m m u n it y   to   n o is v o ltag d u r in g   r ea d   o p er atio n   as   s m all  n o is v o lta g i s   en o u g h   to   f lip   th e   d ata.   Desig n i n g   a n   e f f icie n ca c h s y s te m   w it h   8   tr an s is to r s   in   b asic  S R A M   ce ll  p r o v id es   i n cr ea s ed   s tab ilit y   a n d   g o o d   ef f ec ti v m e m o r y   s p ee d .   Fig u r 7   s h o w s   t h 8 T   SR AM   ce ll  co n f i g u r atio n   b ased   o n   C NT FET s ,   w h er e   th w r i te  an d   r ea d   b its   ar s ep ar ated   to   im p r o v r ea d   cy cle.   I n   8 T   SR A M   o n l y   th e   W r ite  b it  is   u s ed   to   w r ite   f o r   b o th   0 ‖  an d   1   d ata,   w h ile  B I T   an d   B I T   lin es  ar u tili ze d   f o r   w r iti n g   d ata  in   th co n v en t io n al     6 T   SR A M.   T h w r iti n g   o p er atio n   s tar ts   b y   b r ea k in g   t h f ee d b ac k   lo o p   o f   th cr o s s - co u p led   i n v er t er .   Du r in g   r ea d   o p er atio n ,   th f ee d b ac k   lo o p   is   m ai n tai n ed .   T h f ee d b ac k   lo o p   is   d is co n n ec ted   b y   s etti n g   W r ite  b it  to 1 ‖. I n   t h is   ca s e,   SR A M   m e m o r y   ce ll   h a s   j u s t w o   ca s ca d ed   in v er ter s .   T h W b it  li n v o ltag e   d ec id es  t h d ata  th at  is   g o i n g   to   b w r itte n   in to   S R A ce ll.  T h W b it  l in tr an s f er s   t h i n v er s io n   o f   t h in p u d ata  to   Q2   ( ce ll  d ata) ,   w h ic h   d r i v es   th e   o t h er   ca s ca d ed   i n v er ter   to   g et  Q _ b ar .   T h W b it  lin e   h as  to   b p r e - ch ar g ed   b e f o r an d   af ter   ea c h   w r i te  o p er atio n .   W h e n   w r iti n g   " 0 "   d ata,   th er is   n o .   Di s c h ar g i n g   at  W B it  li n s o   n eg lig ib le  p o w er   is   co n s u m ed .   B u w r it i n g   1   d ata  at  Q2 ,   th d y n a m i p o w er   co n s u m p t io n   is   s a m e   as  6 T   SR A ce l b ec au s th W B it  lin h as  to   b d is ch ar g ed   to   g r o u n d   lev el.   T h p r o p o s ed   8 T   SR A ce ll  is   m o r p o w er   ef f icien in   co m p ar is o n   w ith   co n v e n tio n al  o n e s   b ec au s d u r in g   w r ite  o p er atio n ,   th cir cu it  d o es  n o r eq u ir e   d is ch ar g i n g   f o r   ev er y   w r i te  o p er atio n   b u d is ch ar g es  o n l y   wh en   w r iti n g   1 ‖  d ata,   an d   th d is ch ar g i n g   ac ti v it y   f ac to r   o f   th W B it lin i s   les s   t h an   1 .           F ig u r 3 .   C ir cu it d ia g r a m   f o r   8 T   C NT FE T   SR A ce ll       T h R b it   lin h as  to   b p r e - ch ar g ed   b ef o r an y   r ea d   o p er a tio n .   Du r i n g   r ea d   o p er atio n ,   R ea d   b it  is   ―h ig h ‖  an d   W r ite  b it  is   lo w ,   wh ich   s et  tu r n i n g   ON  co n d itio n   f o r   N5   &   N6 .   W h en   Q2 =" 0 ",   t h tr an s is to r   N4   is   OFF  m a in ta in i n g   th R b it  lin e   at  th p r e - ch ar g ed   v a lu e,   w h i ch   s h o w s   th ce ll  d ata  Q2   h o l d s   0 ‖.   On   th e   o t h er   s id e,   w h e n   ce ll  d ata  Q2 = 1 ‖,   b o th   th tr a n s i s to r s   N4   an d   N 6   ar ON  w h ich   m a k es  t h R b it  lin to   b d r o p p ed   at  f e w   m illi v o lts ,   w h ich   i s   q u i te  en o u g h   f o r   d etec tio n   in   th e   s en s a m p li f ier .   I n   th p r o p o s ed   8 T   S R A ce l l   d esig n ,   th d ev ice  s izi n g   o f   t h r ea d   ze r o   p ath   w it h   p u ll  d o w n   tr an s is to r   N4   an d   N6   is   m ad 8   an d   6   ti m es   lar g er   to   g e q u ick er   d is c h a r g p ath   to   g r o u n d .   I n   th i s   d e s ig n ,   t w o   P C NT FET   ( P 1 , N5 )   w it h   o n t u b e,   t w o   NC NT FET s   ( N2 , N3 )   w ith   t wo   tu b es,  o n e   P - t y p C NT FET   ( P 2 )   w it h   t w o   t u b e,   o n NC N T FE T   ( N1 )   w i th   o n e   tu b e,   ar u tili ze d   f o r   p r o p er   f u n ct io n alit y   an d   s h o r ter   d elay   at  th m in i m al  co s o f   t h ch ip   ar ea   o v er h ea d .   C o m p ar ed   to   C MO S   S R A c ell  w it h   a   tr an s is to r   len g t h   o f   3 2 n m ,   a   C NT FET   SR A M   ce ll   o f f er s   a   s i g n i f ican t   s av i n g   in   c h ip   ar ea .       5.   SI M UL AT I O R E S UL T S   6 T   SR AM   an d   3 VL   8 T   SR A ce ll s   ar d esig n ed   u s i n g   b u lk   C M OS  an d   C NT FET   tr an s i s to r s   r esp ec tiv e - l y .   H SP I C E   s i m u l atio n s   ar p er f o r m ed   at  1 8 n m   tec h - n o lo g y   n o d u s i n g   th Stan f o r d   C NT FET   m o d el  a n d   th P r ed ictiv T ec h n o lo g y   Mo d el  ( PT M)   t o   co m p ar t h p er f o r m an ce   o f   th e   3 VL   8 T   C NT FE T   an d   6 T   C MO S SR A ce lls .     5 . 1 .     Si m ula t io n s et up   T h f o llo w in g   tech n o lo g y   p ar a m eter s   ar e   u s ed   f o r   s i m u latio n   o f   3 V L   8 T   SR A M   ce ll  u s i n g   C NT FET .   T ec h n o lo g y :   L ch   ( p h y s ical  c h an n el   le n g t h ) = 3 2 . 0 n m ,   L s s   ( th e   len g t h   o f   t h d o p ed   C NT   d r ain - s id e/so u r ce - s id ex ten s io n   r e g io n ) = 1 8 . 0 n m ,   E f ( Fer m le v el  o f   t h d o p ed   S/D  tu b e) = 0 . 6   eV,   T o x   ( T h e   th ic k n e s s   o f   h i g h - k   to p   g a te  d i elec tr ic  m ater ial) = 4 . 0 n m ,   ( n 1 ,   n 2 )   ( ch ir alit y   o f   t u b e) = ( 1 9 , 0 ) ,   p itch = 1 0 n m ,   V f b n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t   I SS N:  2089 - 4864       C o mp a r is o n   a n a lysi s   o f th r ee   va lu lo g ic  8 T   CN TFE T S R A ce ll  w ith   6   C MOS   S R A M…  ( S . Ta mil S elva n )   111   an d   Vf b p   ( Flat - b a n d   v o lta g f o r   n - C NT FET   an d   p - C NT FET ) = 0 . 0 eV   an d   0 . 0 e V,   p h y s ica g ate   len g th = 3 2 . 0 n m ,   L g ef f   ( th m e an   f r ee   p ath   in   i n tr in s ic  C NT   ch an n el  r eg io n   d u to   n o n - id ea elastic  s ca tter in g )   =2 0 0 . 0 n m ,   L s s / L d d   ( th e   le n g t h   o f   t h d o p ed   C NT   s o u r ce /d r ain   e x te n s io n   r eg io n ) = 3 2 . 0 n m ,   th e   m e a n   f r ee   p at h   in   p +/n + d o p ed   C NT = 1 5 . 0 n m ,   th w o r k   f u n ctio n   o f   So u r ce /Dr ain   m e tal  co n tact = 4 . 6 eV,   an d   C NT   w o r k   f u n ctio n = 4 . 5 eV.   T h m i n i m u m   tr an s is to r   s iz es  u s ed   f o r   C MO a n d   C N T FE T   tech n o lo g ie s   ar W = 4 8 n m   a n d   L = 1 8 n m   f o r   b u l k   C MO S,  an d   L =1 8 n m   an d   t h n u m b er   o f   t u b es =1   f o r   C NT FET .   A   P o w e r   s u p p l y   o f   0 . 9   is   u s ed   [ 1 1 ] .   T a b le  1   s h o w s   t h s u m m ar is ed   r es u lts   to   co m p ar th p r o p o s ed   3 VL   8 T   C NT FE T   SR A M   ch ar ac ter is tic s   w it h   th co n v e n tio n al  C MO S 6 T   SR A ce ll.     5 . 2 .     Dy na m ic  po w er   co ns u mp t io n   T h n e w l y   p r o p o s ed   3 VL   8 T   C N T FE T   SR A ce ll  ac h i ev es  4 1 w r iti n g   p o w er   s av in g   w h ile   m ai n tai n in g   t h ce ll  p er f o r m a n ce ,   r ea d / w r ite  d ela y ,   an d   s ta b ilit y   o f   t h co n v e n tio n al  ce ll .   T h p o w er   s a v i n g   co m e s   f r o m   th e   f ac t   t h at  t h ce ll  k ee p s   W r ite_ B it  " h ig h "   i n s tead   o f   d is c h ar g i n g   w h e n   it   w r i tes  " 0 " ,   w h ic h   r ed u ce s   t h ac - ti v it y   f ac to r   o f   th W r ite_ B it.   Fi g u r 4   s h o w s   th e   d y n a m ic  lo w   p o w er   co n s u m p tio n   w i th   VD D   v ar iatio n .   Fi g u r 5   s h o w s   L ea k ag p o w er   an d   SNM  co n s u m p tio n   w i th   V DD  v ar iatio n .       T ab le  1 .   Su m m ar is ed   s i m u lati o n   r esu lt s       3   V L 8 T     6 T   C M OS   C N T FE T     S R A M   S R A M   D y n a mi c   P o w e r   ( W )   1 . 9 8 E - 06   1 . 6 0 2 E - 06   L e a k a g e   P o w e r   ( n W )   1 1 0   1 0 7 . 6 4   W r i t e   D e l a y   ( p S )   3 4 . 0   3 2 . 5 4   R e a d   D e l a y   ( p S )   2 3 . 8 7   2 2 . 3 7   S N M   ( mV )   1 2 0   1 4 1 . 7 6           Fig u r 4 .   T h d y n a m ic  lo w   p o w er   co n s u m p tio n   w i th   V DD  v ar iatio n           Fig u r 5 .   L ea k a g p o w er   a n d   SNM  co n s u m p tio n   w it h   VDD  v ar iatio n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   20 89 - 4864   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t     Vo l.  8 ,   No .   2 J u ly   2 0 1 9 :   1 0 7     1 1 3   112   W h ile  co n v en tio n al  6 T   C MO SR AM   al w a y s   d i s - c h ar g e s   o n o f   t h b it  li n es   to   w r ite  d ata  in to   t h e   ce ll,   th e   p r o p o s ed   8 T   C NT FET   SR A d is c h ar g e s   t h e   W r ite_ B it  o n l y   w h en   it  w r ites   1 ‖.   A s   th e   p r o b ab ilit y   of   w r i tin g   0   g ets  h i g h er ,   t h e   p o w er   d is s ip atio n   d u to   th e   b it  lin d is c h ar g i n g   is   r ed u ce d   co m p ar in g   to   th e   co n   v e n tio n al  ca s e.   Fi g u r e   4   s h o w s   th d y n a m ic  p o w er   co n - s u m p tio n   o f   t h C NT FET   8 T   SR A ce ll  f o r   d if f er e n VDD .   As  s h o w n   i n   t h Fi g u r e   4 ,   th p o w er   s a v in g   o f   th e   8 T   C NT FE T   SR A c ell  b ec o m e s   g r ea ter   as  DD  i n - cr ea s es  s in ce   th d y n a m ic  p o w er   d i f f er en ce   b et w ee n   t h 6 T   C MO SR AM   a n d   th p r o p o s ed   9 T   C NT FET   SR A ce ll i n cr ea s e s   ex p o n e n tiall y   as VD in cr ea s es.     5 . 3 .     L ea k a g po w er   co ns u mp t io n   T h leak ag e   p o w er   o f   th e   6 T   C MO S   S R A ce l a n d   3 VL 8 T   C NT FE T   SR A ce l l.  I n   th 3 VL 8 T   C NT FET   SR A M   ce ll,  t h b i lin e   leak a g i s   s ig n i f ica n tl y   r ed u ce d   b y   ad d i n g   a   NM OS  tr an s is to r   ( N8 ) ,   b ec au s o f   th s o - ca lled   s tack   ef f ec t‖  b et w ee n   N7   an d   N8 .   T h r ed u ce d   b it - lin leak a g m ak e s   it  p o s s ib le  to   h av e   m o r S R A ce lls   o n   b it - li n f o r   h i g h - d e n s it y   S R AM   d esig n s .   8 T   C NT FET   SR AM   ce ll,  th e   b it - lin e   leak ag i s   s ig n i f i - ca n tl y   r ed u c ed   b y   ad d in g   NM OS  tr an s i s to r   ( M9 ) ,   b ec au s o f   th s o - ca lled   s tac k   ef f ec t‖   b et w ee n   M8   an d   M9 .   T h r ed u ce d   b it - li n lea k ag m a k es  it   p o s s ib le  to   h av m o r S R AM   ce lls   o n   b it - l in e   f o r   h i g h - d en s it y   SR AM   d esig n s .     5 . 4 .     St a t ic  no is m a rg in   Static  No is Ma r g i n   ( SNM)   i s   th s ta n d ar d   m e tr ic  to   m ea s u r th s tab ilit y   i n   SR AM   b it - ce lls .   T h e   SNM  o f   S R A M   ce ll  is   d e f i n e d   as  t h m i n i m u m   D C   n o is v o lt - ag e   n ec e s s ar y   to   f l ip   th e   s t ate  o f   th e   ce ll.  T h e   v o ltag tr a n s f er   cu r v e s   ( VT C s )   o f   th b ac k - to - b ac k   i n v er ter s   in   b it - ce ll  ar u s ed   to   m ea s u r SNM .   Sep ar atin g   t h R ea d   a n d   W r ite  b it  o f f er s   w id er   SNM  d u r i n g   r e ad   o p er - atio n   as   s h o w n   in   Fig u r e   7 .   W h en   r ea d in g   t h e   s to r ed   d ata,   o n l y   R ea d _ B it  af f ec t s   i n v er ter 1   ( N1 /N2 )   o u tp u v o lt - ag e.   C o n s eq u en tl y ,   th is   f ac t   m ak e s   t h ce ll  h ar d   to   f lip .   T ab le  1   s h o w s   8 T   C NT FE T   SR A ce ll  h as  t h h ig h est   S NM   b ec au s o f   t h e   r elativ el y   h i g h er   Vth   a n d   lo w e r   leak ag c u r r en t t h an   C MO b ased   SR A ce lls .     5 . 5 .     Writ a nd   re a d dela y   Fo r   w r ite  o p er atio n ,   th w r ite  d elay   i s   d ef i n ed   as  t h ti m f r o m   t h 5 0 ac ti v atio n   o f   t h W L   to   th e   ti m e   w h e n   Q_ b ar   b ec o m es  9 0 o f   it s   f u ll  s w i n g .   T h w r ite   d ela y   is   ap p r o x i m atel y   eq u al   to   t h p r o p ag atio n   d elay   o f   t h in v er ter 2   ( M3 /M4 )   an d   in v er ter 1   ( N1 /N2 ) .   B e - ca u s t h in v er ter 1   is   o n l y   d r iv in g   t h d if f u s io n   ca p ac i - to r   o f   M7 ,   it  is   d esira b le  to   r ed u ce   th in p u ca p ac ita n ce   o f   th i n v er ter 1   as  m u c h   as  p o s s ib le  to   r ed u ce   th lo ad   ca p ac itan ce   o n   i n v er ter 2 .   T h p r o p o s ed   3 VL   8 T   C NT - FET   SR A ce ll  i s   s li g h tl y   s lo w er   t h an   6 T   SR A i n   w r iti n g   o p er atio n   b e ca u s o f   t h i s   r ea s o n .   T h r ea d   ti m d ep en d s   o n   t h R E A p at h s   tr an s is - to r s   s izes.  T h p r o p o s ed   3 VL   8 T   C NT FET   SR A ce ll  R E A d ela y   i s   alm o s s a m as  th co n v en t io n a 6 T   C MO SR A ce ll  s in ce   th tr an s is to r   s izes   ar v er y   s i m ilar .   T h R E A D   a cc ess   t i m e   at   th e   ce ll   lev e i s   d e - ter m i n ed   b y   t h ti m e   ta k en   f o r   t h b it - li n e s   to   d ev elo p   p o ten tial d if f er e n ce   o f   at  least 1 0 0 m V.       6.   CO NCLU SI O N   T h is   p ap er   h as  in v e s ti g ated   th u s o f   MO SF E T - li k C NT F E T   in   p lace   o f   th co n v e n tio n al  C MO S   in   t h d e s ig n   o f   SR A M   ce ll.  T h is   n e w   8 T   C NT FET   SR AM   ce ll  i s   co m p ar ed   w i th   C M OS  b ased   6 T   SR AM   ce ll.  T h is   n e w   3 V L   8 T   C N T FET   SR A ce ll  cu ts   o f f   t h f e ed b ac k   co n n ec tio n   b et w ee n   th t w o   b ac k - to - b ac k   in v er ter s   in   th S R A ce ll  w h e n   d ata  is   w r itte n   an d   s ep ar ates  th w r i te  an d   r ea d   p o r w it h   8   tr an s is to r s .   C o m p ar ed   to   6 T   SR A M   s tr u c tu r e,   t h p r o p o s ed   3 VL   8 T   C NT FE T   SR A s av e s   p o w er   u p   to   5 1 a n d   o b - tain s   5 8 h i g h er   SNM  d u r i n g   r ea d   o p e r atio n   at  th m in i m al  co s o f   4 d elay   i n cr ea s e.   T h ese  Si m u latio n   r esu lt s   s h o w   t h at  th C NT FET   b ased   8 T   SR A ce ll  d esi g n   ac h ie v es  i m p r o v e m e n t s   in   s tab ilit y   an d   p o w er   co n s u m p tio n ,   esp ec iall y   at  l o w   p o w er   s u p p l y .       RE F E R E NC E   [1 ]   R.   Ch a u ,   S .   Da tt a ,   M .   D o c z y ,   B.   Do y le,  B.   Jin ,   J.  Ka v a li e ro s,  A .   M a ju m d a r,   a n d   M .   Ra d o sa v li jev ic,  Be n c h m a rk in g   n a n o tec h n o l o g y   f o h ig h - p e rf o r - m a n c e   a n d   lo w - p o w e lo g ic  tran sisto a p - p li c a ti o n s,‖  IEE E   T ra n s.  Na n o tec h n o l . ,   v o l.   4 ,   n o .   2 ,   p p .   1 5 3 - 1 5 8 ,   M a r.   2 0 0 5 .   [2 ]   Jie   De n g ,   De v ice   m o d e li n g   a n d   c ircu it   p e rf o r - m a n c e   e v a lu a ti o n   fo n a n o sc a le  d e v ice s:  sili c o n   tec h n o l o g y   b e y o n d   4 5   n m   n o d e   a n d   c a rb o n   n a n - o tu b e   f ield   e ff e c tran sisto rs,‖ Diss e rtatio n ,   Ju n e .   2 0 0 7 .   [3 ]   J.  De n g   a n d   H. - S .   P .   W o n g ,   " A   Circu it - Co m p a ti b le  S P ICE   m o d e l   f o En h a n c e m e n M o d e   Ca rb o n   Na n o tu b e   F ield   Eff e c T ra n sisto rs,"   P r o c .   I n tl .   Co n f.   S im u la ti o n   o S e mic o n d u c to Pro c e ss e a n d   De v ice s ,   p p .   1 6 6   -   1 6 9 ,     S e p t. ,   2 0 0 6 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t   I SS N:  2089 - 4864       C o mp a r is o n   a n a lysi s   o f th r ee   va lu lo g ic  8 T   CN TFE T S R A ce ll  w ith   6   C MOS   S R A M…  ( S . Ta mil S elva n )   113   [4 ]   Am lan i,   e a l. ,   " F irst  De m o n s tratio n   o f   A C   G a in   F ro m   a   S in g le - w a ll e d   Ca rb o n   Na n o tu b e   Co m - m o n - S o u rc e   Am p li f ier,"   P ro c .   I n tl .   El e c tro n   D e - v ice s M e e ti n g ,   P a p e 2 0 . 7 ,   De c . ,   2 0 0 6 .   [5 ]   Be rk e le y   P re d ictiv e   T e c h n o lo g y   M o d e w e b site  [ On li n e ].   A v a il a b le:  h tt p :/ /w ww   e a s.as u . e d u l - p tm /l a tes t. h tm l   [6 ]   S tan f o rd   Un iv e rsity   CNFE T   M o d e w e b site [ On - li n e ] .   A v a il a b le h tt p :/ / n a n o . sta n f o rd . e d u /m o d - e l. p h p ? id = 2 3   [7 ]   J.  A p p e n z e ll e r,   Ca rb o n   Na n o t u b e s f o Hig h - P e rf o rm a n c e   [8 ]   J.  De n g   a n d   H. - S .   P . W o n g ,   A   Co m p a c S P ICE  m o d e f o c a rb o n - n a n o tu b e   f ield - e ffe c tran sisto rs  in c lu d i n g   n o n   id e a li ti e a n d   it a p p li c a ti o n P a rt  II:  F u ll   d e v i c e   m o d e a n d   c ircu it   p e rf o rm a n c e   b e n c h m a rk in g ,   IEE E   T ra n s.E lec tro n   De v ice ,   v o l.   5 4 ,   n o .   1 2 ,   p p .   3 1 9 5 3 2 0 5 ,   De c .   2 0 0 7 .   [9 ]   J.  De n g   a n d   H. - S .   P . W o n g ,   A   Co m p a c S P ICE  m o d e f o c a rb o n - n a n o tu b e   f ield - e ffe c tran sisto rs  in c lu d i n g   n o n   id e a li ti e a n d   it a p p li c a ti o n P a rt  II:  F u ll   d e v ice   m o d e a n d   c ircu it   p e rf o rm a n c e   b e n c h m a rk in g ,   IEE E   T ra n s.E lec tro n   De v ice ,   v o l.   5 4 ,   n o .   1 2 ,   p p .   3 1 9 5 3 2 0 5 ,   De c .   2 0 0 7 .   [1 0 ]   L u c a sie w i c z ,   Ja n   L o g ice   T r ´ o jw a r k o sc io e w En g li sh   tran sla ti o n On   th re e - v a lu e d lo g ic,  i n   L .   B o rk o w sk (e d . ),   S e lec ted   w o rk s b y   Ja n   L u k a sie w i c z ,   No rth - Ho l lan d ,   Am ste rd a m ,   1 9 7 0 ,   p p .   8 7 - 88   [1 1 ]   S .   L in , Y.   B.   Kim ,   a n d   F .   L o m b a rd i,   T h e   CNT F ET - b a se d   d e sig n   o f   tern a ry lo g ic  g a tes   a n d   a rit h m e ti c   c ircu it s,‖ IEE T r a n s.  N a n o tec h n o l. ,   v o l.   1 0 , n o .   2 ,   p p .   2 1 7 2 2 5 ,   M a r.   2 0 1 1 .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.