[發(fā)明專利]一種基于單極性翻轉(zhuǎn)自旋軌道力矩磁存儲(chǔ)器的存內(nèi)運(yùn)算邏輯設(shè)計(jì)方法

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• 申請日: 2022-03-30
• 公開（公告）號(hào): CN114708893A
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉偉強(qiáng);祝浩男;吳比
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G11C11/16
• 分類號(hào): G11C11/16;G06F7/57
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 張力

本發(fā)明公開了一種基于單極性翻轉(zhuǎn)自旋軌道力矩磁存儲(chǔ)器的存內(nèi)運(yùn)算邏輯設(shè)計(jì)方法，通過陣列內(nèi)基本的讀邏輯和寫邏輯設(shè)計(jì)TRS邏輯和RD邏輯；針對自旋軌道力矩磁存儲(chǔ)器的單極性翻轉(zhuǎn)特性，基于讀邏輯、寫邏輯、TRS邏輯和RD邏輯，設(shè)計(jì)存內(nèi)運(yùn)算邏輯，包括：兩輸入與，兩輸入或，三輸入擇多和1位全加邏輯。本發(fā)明最大程度解決自旋軌道力矩磁存儲(chǔ)器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)后需要較長時(shí)間恢復(fù)的問題以及將輸出結(jié)果覆蓋輸入數(shù)據(jù)來避免數(shù)據(jù)寫回操作。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于于非易失性存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于單極性翻轉(zhuǎn)自旋軌道力矩磁存儲(chǔ)器的存內(nèi)運(yùn)算邏輯設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

近年來，越來越多的存儲(chǔ)技術(shù)被應(yīng)用于存內(nèi)運(yùn)算中。其中非易失性存儲(chǔ)器相較于易失性存儲(chǔ)器，具有以下優(yōu)勢：1、非易失性，斷電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失；2、讀寫速度快；3、靜態(tài)功耗低等。因此非易失性存儲(chǔ)器在存內(nèi)計(jì)算領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

非易失性存儲(chǔ)技術(shù)中的磁隨機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)(Magnetic Random Access Memory，MRAM)在存內(nèi)運(yùn)算中應(yīng)用比較廣泛。其中主要分為兩種：自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)(Spin-Transfer Torque Magnetic Random Access Memory，STT-MRAM)和自旋軌道力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)(Spin-Orbit Torque Magnetic Random Access Memory，SOT-MRAM)。最新的單極性翻轉(zhuǎn)自旋軌道力矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)(Unipolar Switching Spin-Orbit TorqueMagnetic Random Access Memory，US-SOT-MRAM)相比于傳統(tǒng)的SOT-MRAM和STT-MRAM具有以下的優(yōu)勢：

1.讀寫速度快，讀寫電流在微安級別，2.寫1和寫0的轉(zhuǎn)換電流對稱，3.氧化層僅在讀操作中有電流流過，不會(huì)發(fā)生氧化層穿透，4.通過調(diào)整場力矩和阻尼力矩比值來實(shí)現(xiàn)無外磁場輔助翻轉(zhuǎn)，減少功耗。

US-SOT-MRAM的重金屬帶上通過任意方向達(dá)到閾值大小的寫電流后，其自由層的磁化方向翻轉(zhuǎn)不會(huì)瞬間完全翻轉(zhuǎn)，而是需要接近幾納秒的恢復(fù)時(shí)間才能使磁化方向翻轉(zhuǎn)完全，這一段恢復(fù)時(shí)間發(fā)生在運(yùn)算邏輯設(shè)計(jì)的兩個(gè)步驟間，極大的增加整個(gè)運(yùn)算邏輯所需要的時(shí)間以及在特定的操作下產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。這將會(huì)使其與其他非易失存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的存內(nèi)運(yùn)算在速度和可靠性方面有較大差距。因此，如何針對自由層磁化翻轉(zhuǎn)的恢復(fù)時(shí)間優(yōu)化，是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于單極性翻轉(zhuǎn)自旋軌道力矩磁存儲(chǔ)器的存內(nèi)運(yùn)算邏輯設(shè)計(jì)方法，在存儲(chǔ)陣列內(nèi)，通過對四種運(yùn)算邏輯步驟的優(yōu)化來最大程度減少寫操作中自由層磁化翻轉(zhuǎn)的恢復(fù)時(shí)間的影響，以及通過避免數(shù)據(jù)寫回操作來提高速度和減少功耗。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種基于單極性翻轉(zhuǎn)自旋軌道力矩磁存儲(chǔ)器的存內(nèi)運(yùn)算邏輯設(shè)計(jì)方法，包括：

步驟1：通過陣列內(nèi)基本的讀邏輯和寫邏輯設(shè)計(jì)TRS邏輯和RD邏輯；

步驟2：針對自旋軌道力矩磁存儲(chǔ)器的單極性翻轉(zhuǎn)特性，基于讀邏輯、寫邏輯、TRS邏輯和RD邏輯，設(shè)計(jì)存內(nèi)運(yùn)算邏輯，包括：兩輸入與，兩輸入或，三輸入擇多選擇和1位全加邏輯。

為優(yōu)化上述技術(shù)方案，采取的具體措施還包括：

上述的TRS是指：對于存儲(chǔ)陣列內(nèi)同一列的兩個(gè)存儲(chǔ)單元A和B，通過控制單元A存儲(chǔ)的阻值的差異產(chǎn)生不同大小的電流對被寫單元B進(jìn)行寫邏輯操作。

上述的RD邏輯是指：利用讀電路中結(jié)果鎖存原理，將讀結(jié)果進(jìn)行延時(shí)處理，使得下一步驟可根據(jù)讀電路結(jié)果進(jìn)行選擇邏輯。

上述的步驟2遵循以下設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)存內(nèi)運(yùn)算邏輯：

1)盡可能將寫邏輯和TRS邏輯放置在整個(gè)運(yùn)算邏輯步驟的最后一步；