高速高可靠STT非易失存儲器研究.pdf

1、隨著存儲器技術(shù)的飛速發(fā)展，對存儲器的高速度、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器（NVM：Nonvolatile Memory）中，自旋轉(zhuǎn)移矩磁隨機存儲器（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限次重復(fù)寫入的能力，被公認為是下一代

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大和讀錯誤多的問題。因此，本文將圍繞STT-MRAM的關(guān)鍵問題，展開以下四個方面的研究工作。
　　1.為了對STT-MRAM進行電路級分析，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MTJ建立了電路級SPICE模型。并對模型進行了驗證，該模型適合于本文的研究工作。
　　2.為

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

4、為1.0ns，降低了90％。
　　3.為了減少STT靈敏放大器讀錯誤，設(shè)計了自關(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)讀錯誤產(chǎn)生的機理。其在讀“0”操作過程中電流將對MTJ的阻抗狀態(tài)造成干擾?；诖?，應(yīng)用反饋自關(guān)斷技術(shù)，設(shè)計出了自關(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，從而減少了讀錯誤。蒙特卡洛分析結(jié)果

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