[發明專利]內存設備及基于多層RRAM交叉陣列的數據處理方法

有效

• 申請號: 201680058624.6
• 申請日: 2016-01-18
• 公開（公告）號: CN108475522B
• 公開（公告）日: 2020-12-15
• 發明（設計）人: 余浩;王雨豪;趙俊峰;楊偉;肖世海;倪磊濱
• 申請（專利權）人: 華為技術有限公司;南洋理工大學
• 主分類號: G11C11/21
• 分類號: G11C11/21
• 代理公司: 北京龍雙利達知識產權代理有限公司 11329
• 代理人: 張欣;王君

本發明實施例提供一種內存設備，該內存設備包括用于進行邏輯運算的RRAM交叉陣列，且該RRAM交叉陣列中的電阻的阻值均設置為R_on或R_off，以表示布爾值1或0。在以上設置的基礎上，通過RRAM交叉陣列實現布爾運算，能夠提高RRAM交叉陣列邏輯運算的可靠性。

技術領域

本發明實施例涉及存儲領域，并且更具體地，涉及一種內存設備及基于多層RRAM交叉陣列的數據處理方法。

背景技術

目前許多應用都會涉及復雜的大數據計算，例如指紋識別、機器學習等。對于現在的大數據計算來說，計算系統的性能的瓶頸主要體現在以下兩個方面：

內存墻(memory wall)：隨著技術的發展，處理器的性能在不斷提升，但內存性能卻增長很慢。因此，內存的性能成為系統整體性能提升的“短板”，即所謂的內存墻。具體而言，處理器與內存之間通過輸入輸出(Input/Output，I/O)總線連接與通信。由于硬件的限制，該IO總線的帶寬有限，導致處理器大部分時間處于等待內存的空閑狀態。

能耗墻(power wall)：目前的內存大部分采用的是易失性存儲器。因此，為了保證數據不丟失，需要一直為易失性內存供電，導致內存的動態功耗與靜態功耗都很大。

針對以上兩個問題，通常有以下解決方案：

內存墻的解決方案：可以在內存中增加邏輯單元(或邏輯電路)，使得數據直接在內存中計算，即in-memory computing。以求10個數字之和為例，如果內存僅具有存儲數據的功能，處理器需要通過IO總線從該內存中讀取10個數字，并將這10個數字求和；如果內存具有邏輯運算功能，內存能夠直接計算出10個數字之和，然后通過IO總線，將計算結果發送至處理器。比較以上兩種實現方式可以發現，具有邏輯運算功能的內存將IO總線的傳輸壓力降低了90％，從而能夠有效降低內存墻的限制。

能耗墻的解決方案：可以使用非易失性(Non-volatile)存儲器替代易失性存儲器。由于存儲器是非易失性的，位于其中的數據不會因為斷電而丟失。因此，在數據處理過程中，無需時刻保持整個存儲器的供電，這樣可以有效降低功耗。

電阻式隨機存取存儲器(Resistive Random Access Memory，RRAM)技術的發展使得以上兩個問題的同時解決成為可能。首先，RRAM的核心器件是憶阻器(或者說RRAM中的電阻為憶阻器)，具有非易失性，能降低功耗。進一步地，如圖1所示，RRAM具有交叉陣列結構(因此，通常將RRAM稱為RRAM交叉陣列，或RRAM交叉，或RRAM crossbar)。RRAM crossbar可以具有一層，也可以具有多層。在多層RRAM crossbar中，上一層的輸出可以作為下一層的輸入，RRAM crossbar的每一層設置有電阻陣列。如果將RRAM中的電阻看成神經網絡中的神經元，可以發現RRAM crossbar與神經網絡的結構十分類似，這樣的結構非常適于邏輯運算。具體地，可以通過配置RRAM crossbar的層數、每層RRAM crossbar中的電阻陣列的規模以及每個電阻的阻值來實現各種各樣的邏輯運算。