[發明專利]一種配合糾錯磁性隨機存儲器使用的緩存系統

在審

• 申請號: 201810699312.4
• 申請日: 2018-06-29
• 公開（公告）號: CN110660422A
• 公開（公告）日: 2020-01-07
• 發明（設計）人: 王春林;戴瑾
• 申請（專利權）人: 上海磁宇信息科技有限公司
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16
• 代理公司: 31287 上海容慧專利代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 于曉菁

本發明公開了一種配合糾錯磁性隨機存儲器使用的緩存系統，包括MRAM存儲模塊、錯誤檢測和矯正電路、控制電路、緩存，控制電路接受讀寫操作指令并控制錯誤檢測和矯正電路與緩存；讀寫數據時，控制電路首先檢測該數據是否在緩存中，若在，則直接對緩存中數據操作；若要讀的數據不在緩存中，則控制電路將MRAM存儲模塊中已存有的數據讀出并經過錯誤檢測和校正電路處理后寫入緩存并返回給外部電路。本發明公開的緩存系統，若獨立存在，對整塊MRAM僅需少量存儲和控制電路；若作為CPU緩存的一部分，則優勢更大，幾乎無需付出額外成本代價，修改現有CPU的緩存機制，就可以解決含糾錯功能的MRAM的寫速度問題。

技術領域

本發明涉及一種緩存系統，具體涉及一種配合糾錯磁性隨機存儲器(MRAM，Magnetic Random Access Memory)使用的緩存系統，屬于半導體芯片技術領域。

背景技術

MRAM是一種新的內存和存儲技術，可以像SRAM/DRAM一樣快速隨機讀寫，還可以像Flash閃存一樣在斷電后永久保留數據。不像DRAM以及Flash那樣與標準CMOS半導體工藝不兼容，MRAM可以和邏輯電路集成到一個芯片中。

MRAM的原理，是基于一個叫做磁性隧道結(MTJ)的結構。它是由兩層鐵磁性材料夾著一層非常薄的非鐵磁絕緣材料組成的，如圖1和圖2所示。下面的一層鐵磁材料是具有固定磁化方向的參考層13，上面的鐵磁材料是可變磁化方向的記憶層11，記憶層11的磁化方向可以和參考層13相平行或反平行。由于量子物理的效應，電流可以穿過中間的隧道勢壘層12，但是磁性隧道結的電阻和可變磁化層的磁化方向有關。記憶層11和參考層13的磁化方向相平行時電阻低，如圖1；反平行時電阻高，如圖2。

讀取MRAM的過程就是對磁性隧道結的電阻進行測量。使用比較新的STT-MRAM技術，寫MRAM也比較簡單：使用比讀更強的電流穿過磁性隧道結進行寫操作。一個自下而上的電流把可變磁化層置成與固定層反平行的方向。自上而下的電流把它置成平行的方向。

每個MRAM存儲單元由一個磁性隧道結(MTJ)和一個NMOS選擇管組成，如圖3所示。每個存儲單元需要連接三根線：NMOS管的柵極連接到芯片的字線(Word Line)32，負責接通或切斷這個單元；NMOS管的一極連在源極線(Source Line)33上，NMOS管的另一極和磁性隧道結34的一極相連，磁性隧道結34的另一極連在位線(Bit Line)31上。

MRAM的讀出電路需要檢測MRAM記憶單元的電阻。由于磁性隧道結的電阻可能會因為生產工藝、讀寫次數、溫度等原因漂移，從而導致數據錯誤(讀出的數據比特與之前最近一次寫入的數據比特相反)。為解決這一問題，可以加入錯誤檢測和矯正電路(ECC，ErrorChecking and Correcting)，對一個字的數據進行編碼，加入一些校驗位比特，從而對數據錯誤進行檢測和矯正。

通常，中央處理器(CPU)在讀數據時，會通過CPU緩存一次性讀取固定長度的數據，該長度可能與編碼字長不一致；CPU在寫數據時，則不會將原始數據從存儲設備中讀到CPU緩存中。而這一糾錯方法要求在更新數據塊中一部分數據時，同時更新校驗位比特，而對校驗位比特的更新，要求知道數據塊的其他部分。這個進行糾錯的字，太短則編碼效率太低，芯片成本高；太長則帶來寫速度問題：外部可能只寫一個短的字，卻不得不把整個長字讀出重新編解碼，要耗費數個時鐘周期才能完成一次寫入操作。

對比專利CN107643955A描述了一種基于糾錯回寫技術提升非易失存儲器性能的方法，結構如圖6所示。數據被讀出后會由讀寫驅動進行糾錯并輸出，糾錯后的數據也會被更新到NVM陣列中。如果錯誤次數超過閾值，則會將邏輯地址映射到新的物理地址。

發明內容