[發明專利]一種基于自旋磁存儲器的數據運算方法

有效

• 申請號: 201910081772.5
• 申請日: 2019-01-28
• 公開（公告）號: CN109859786B
• 公開（公告）日: 2020-10-02
• 發明（設計）人: 潘彪;康旺;趙巍勝
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16;G06F7/50;G06F7/52
• 代理公司: 北京慕達星云知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 李冉

本發明公開了一種基于自旋磁存儲器的數據運算方法，首先通過該存算一體裝置可以在由自旋磁存儲器組成的自旋存算陣列模塊中直接進行數據的計算，減少了數據在存儲器和運算器之間的傳輸，在降低系統功耗的同時，可以提高系統的運算速度，進而提高了計算體系的性能，另外，本發明中行列譯碼器單元對自旋磁存儲器進行單個選通或多行選通，能進一步提高計算速度，進而提高裝置整體的實用性。

技術領域

本發明涉及自旋電子技術領域，更具體的說是涉及一種基于自旋磁存儲器的數據運算方法。

背景技術

隨著大數據、物聯網與人工智能等應用的蓬勃發展，產生了海量非結構化數據，伴生了對這些數據高效能處理需求的急劇增長。在當前的基于傳統的馮諾依曼計算體系架構中，計算器和存儲器是分離的，通過數據總線進行數據傳輸，但是，隨著大數據應用的興起，海量數據的傳輸與處理使得傳統馮諾依曼計算體系結構面臨帶寬與功耗的雙重挑戰，分別稱為存儲墻與功耗墻問題。

為了解決這兩個難題，近年來，受到人腦中突觸能同時進行記憶和計算的啟發，計算機架構中的存算一體(Processing-In-Memory,PIM)技術開始得到人們的廣泛研究。目前大部分研究工作仍然基于傳統易失性存儲技術，如DRAM和SRAM等。但是，一方面，易失性存儲器由于其數據不能在斷電情況下保存，仍然需要在內存與外部非易失性存儲器(如磁盤、固態硬盤等)之間進行頻繁的數據遷移，因此馮諾依曼瓶頸并沒有完全消除。另一方面，傳統內存技術本身不具備計算能力，需要額外集成邏輯計算單元，因此制造成本較高，處理能力較弱。此外，傳統存儲器的存儲單元面積較大，計算單元要求的高性能與內存單元要求的高密度難以在同一個芯片中同時滿足，芯片設計復雜度和制造成本都相當高。

因此，如何設計出一種能完全消除馮諾依曼瓶頸的數據運算方法是本領域技術人員亟需解決的問題。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種基于自旋磁存儲器的數據運算方法，目的在于通過實現基于自旋存算陣列模塊的存算一體化，從而減少數據在存儲器和運算器之間的數據遷移，降低系統功耗的同時，可以提高系統的運算速度，解決馮諾依曼瓶頸帶來的問題。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種自旋存算陣列模塊，包括：N個自旋存算單元，單個所述自旋存算單元包括至少一個自旋磁存儲器和至少一個晶體管；所述自旋磁存儲器包括MRAM存儲器；

所述自旋存算單元呈陣列分布，每列的所述自旋存算單元由至少一條位線、至少一條源極線和N條字線控制，其中晶體管的源極與所述自旋磁存儲器相連，所述自旋存儲器與源極線相連，所述晶體管的柵極與字線相連，所述晶體管的漏極與所述位線相連。

一種存算一體裝置，包括輔助模塊和自旋存算陣列模塊，所述輔助模塊包括計算輔助單元；

所述計算輔助單元位于所述自旋存算陣列模塊每一列的末端，包括兩條平行的電壓控制線，并分別與所述自旋存算陣列模塊一列的位線和源極線相連；

所述計算輔助單元還包括N+1條平行的計算控制線，所述計算控制線與所述電壓控制線垂直交叉分布；每條所述計算控制線還連接一個儲存電容，分別為C₀-C_N，，均與所述自旋存算單元的源極線相連并接地，用于保存臨時數據；每條所述計算控制線還連接一個控制開關，所述控制開關分別為S_M0-S_MN，并分別設置于所述儲存電容與電壓源VDD之間，用于控制待處理數據的引入；每兩條所述計算控制線之間設置控制開關，分別為S_D1-S_DN，用于控制相鄰計算控制線之間的分壓；

所述計算輔助單元還包括總開關S₀，設置于所述自旋存算單元的位線與所述計算輔助單元之間，用于控制計算輔助單元的開啟或關閉。

優選的，所述一種存算一體裝置還包括控制模塊；