[發明專利]一種緩解相變存儲器寫干擾的方法及系統

有效

• 申請號: 201911348124.8
• 申請日: 2019-12-24
• 公開（公告）號: CN111210858B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發明（設計）人: 蔡曉軍;靳文科;蔡文浩;陸思奇;張志宇;劉忠洋
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G11C13/00
• 分類號: G11C13/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 李琳

本公開提供了一種緩解相變存儲器寫干擾的方法及系統，在位線層面，利用動態查找空閑主存塊以確定可回寫可靠空閑主存塊，實現動態感知；在字線層面，將新數據與預期數據作對比，檢測是否有寫干擾錯誤發生，如果出現了寫干擾，則進行糾正操作。本公開對PCM存儲器的性能和開銷做出了一定的平衡，有效緩解了PCM寫干擾錯誤的發生，保證了數據存儲的可靠性，從根本上避免了因級聯引起的性能損失，減少了PCM的整體性能損失。

技術領域

本公開屬于非易失存儲器技術領域，涉及一種緩解相變存儲器寫干擾的方法及系統。

背景技術

本部分的陳述僅僅是提供了與本公開相關的背景技術信息，不必然構成在先技術。

隨著大數據時代的到來，對存儲器的性能需求也是水漲船高，構建高訪問帶寬、高縮放性和高密度的主存系統已成為現代計算系統面臨的主要挑戰。然而，傳統的DRAM存儲器掉電丟失數據，且密度及縮放性已面臨發展瓶頸。這些不足之處限制了DRAM的性能提高，使其無法緊跟大數據存儲的腳步。近年來的研究發現，相變存儲器(PhaseChangeMemory,PCM)作為一種新興的非易失存儲器，具有較小的讀寫延遲和良好的縮放性，極具發展前景。較之DRAM，PCM具有非易失(即掉電數據不丟失)、高密度等優勢，是最有前途的低功耗主存技術之一。

PCM存儲器主要依靠一種相變材料來實現編程，即Ge₂Sb₂Te₅(簡稱GST)。當GST的編程區域處于完全結晶狀態時，PCM單元的阻值大約為10³Ω，當GST的編程區域處于完全熔融狀態時，PCM單元的阻值大約為10⁵Ω。由此可見，編程區域狀態(晶態或非晶態)不同的PCM單元之間阻值差異較大，足以分別用于表示二進制代碼‘1’與‘0’，晶態(低阻態)表示‘1’，非晶態(高阻態)表示‘0’。PCM單元的阻值介于10³Ω～10⁴Ω之間，一般認為存儲值為‘1’，阻值介于10⁴Ω～10⁵Ω之間，一般認為存儲值為‘0’，其中阻值10⁴Ω正是區分‘1’與‘0’的閾值。PCM單元通過電脈沖實現編程，即寫‘1’和寫‘0’。向PCM單元施加一個強度較低、持續時間較長的電脈沖(即進行置位操作(SET))，使得溫度達到GST的結晶點但低于熔點(大約300℃)，則編程區域會由初始狀態(晶態或非晶態)轉為晶態，完成寫‘1’的操作，該PCM單元存儲二進制代碼‘1’。向PCM單元施加一個強度較高、持續時間較短的電脈沖(即進行重置操作(RESET))，使得溫度達到GST的熔點并迅速淬火(大約600℃)，則編程區域會由初始狀態(晶態或非晶態)轉為非晶態，完成寫‘0’的操作，該PCM單元存儲二進制代碼‘0’。

PCM有望成為DRAM的替代者，但在編程層面仍存在不足之處。作為高密度主存儲器，PCM在20nm技術結點下面臨著嚴重的寫干擾問題。寫干擾指的是當一個PCM單元x在進行RESET操作時，需要加熱器提供高于GST熔點的溫度(大約600℃)，在編程期間不可避免地向周圍單元散熱，且散熱的溫度高于GST的結晶點但低于熔點(大約300℃)。若鄰居單元y存儲‘0’(即處于非晶態)，且沒有針對該單元的讀寫操作，那么單元y可能會受到鄰居單元x散熱的影響，由非晶態轉為晶態(因為鄰居單元x散熱溫度足以達到GST的結晶點)，從而改變了單元y的存儲值。通過總結可以得出寫干擾發生的條件如下：(1)PCM單元y存儲‘0’(即非晶態)且處于空閑狀態(即無讀寫操作)；(2)單元y的鄰居單元x正在進行RESET操作。寫干擾現象會導致更多的單元編程錯誤，從而降低存儲的可靠性。SET操作的散熱溫度較低，不會對鄰居單元造成干擾，故只考慮RESET操作所引起的寫干擾。