高速高可靠STT非易失存儲(chǔ)器研究.pdf

1、隨著存儲(chǔ)器技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)存儲(chǔ)器的高速度、高密度、低功耗和非易失性等特性提出了要求。在各種非易失性存儲(chǔ)器（NVM：Nonvolatile Memory）中，自旋轉(zhuǎn)移矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（STT-MRAM：Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory）擁有著與閃存一樣的非易失性，與SRAM接近的高速讀寫性能，與DRAM一樣的高集成度，以及低功耗和近乎無(wú)限次重復(fù)寫入的能力，被公認(rèn)為是下一代

2、可能取代SRAM的候選電路。但目前STT-MRAM的研究仍然存在著寫延時(shí)大和讀錯(cuò)誤多的問(wèn)題。因此，本文將圍繞STT-MRAM的關(guān)鍵問(wèn)題，展開以下四個(gè)方面的研究工作。
　　1.為了對(duì)STT-MRAM進(jìn)行電路級(jí)分析，構(gòu)建了磁隧道結(jié)(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)模型。分析了MTJ的物理特性與電路模型，基于此對(duì)MTJ建立了電路級(jí)SPICE模型。并對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，該模型適合于本文的研究工作。
　　2.為

3、了提高 STT存儲(chǔ)單元寫速度，設(shè)計(jì)了新型2T-1M(2Transistor-1MTJ)存儲(chǔ)單元。首先分析了典型STT存儲(chǔ)單元的讀寫操作，總結(jié)了優(yōu)化STT存儲(chǔ)單元寫速度的方法。基于此，采用縮短寫鏈路級(jí)數(shù)的方法，設(shè)計(jì)出了新型2T-1M存儲(chǔ)單元，寫鏈路只有兩級(jí)，提高了寫速度；引入了新的存儲(chǔ)陣列結(jié)構(gòu)，提高了集成度。試驗(yàn)結(jié)果表明，在最佳尺寸600nm/40nm下，1T-1M(1Transistor-1MTJ)寫延時(shí)為1.9ns，新型STT存儲(chǔ)單元

4、為1.0ns，降低了90％。
　　3.為了減少STT靈敏放大器讀錯(cuò)誤，設(shè)計(jì)了自關(guān)斷STT靈敏放大器。首先分析了典型的預(yù)充電式靈敏放大器(PCSA：Pre-Charge Sensing Amplifier)讀錯(cuò)誤產(chǎn)生的機(jī)理。其在讀“0”操作過(guò)程中電流將對(duì)MTJ的阻抗?fàn)顟B(tài)造成干擾。基于此，應(yīng)用反饋?zhàn)躁P(guān)斷技術(shù)，設(shè)計(jì)出了自關(guān)斷STT靈敏放大器。其輸出反饋切斷了讀“0”操作的輸入通路，有效縮短了讀脈沖寬度，從而減少了讀錯(cuò)誤。蒙特卡洛分析結(jié)果

5、表明，PCSA的讀錯(cuò)率為16%，自關(guān)斷敏放讀錯(cuò)率減少到了6%。
　　4.為了評(píng)估本文設(shè)計(jì)的新型STT存儲(chǔ)單元和STT靈敏放大器在STT-MRAM中的緩存寫延時(shí)和讀錯(cuò)誤的表現(xiàn)，將其集成在一起實(shí)現(xiàn)了新的STT讀寫電路。通過(guò)NVSim分析了不同緩存容量，不同存儲(chǔ)單元尺寸下的新型讀寫電路和典型STT存儲(chǔ)單元的Cache級(jí)特性。結(jié)果顯示，在存儲(chǔ)單元最佳尺寸下新型STT讀寫電路對(duì)應(yīng)的緩存寫延時(shí)相比1T-1M對(duì)應(yīng)的緩存寫延時(shí)，大容量8Mb時(shí)降低