【摘 要】
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存储技术经过几十年的不断发展,传统的硅基存储器技术（如:DRAM,SRAM和NAND闪存等）遵循着摩尔定律的演进趋势正逐渐逼近存储单元的物理极限,在20nm以下的工艺节点上面临着严峻的技术挑战。与此同时,电子产品的技术演进对存储器性能提出了更高密度、更高速读写、更低功耗等性能要求。自旋转移力矩——磁随机存储器（STT-MRAM）作为一种新兴的非易失性存储器,有着高集成度、高速读写、非易失性和近乎无
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存储技术经过几十年的不断发展,传统的硅基存储器技术（如:DRAM,SRAM和NAND闪存等）遵循着摩尔定律的演进趋势正逐渐逼近存储单元的物理极限,在20nm以下的工艺节点上面临着严峻的技术挑战。与此同时,电子产品的技术演进对存储器性能提出了更高密度、更高速读写、更低功耗等性能要求。自旋转移力矩——磁随机存储器（STT-MRAM）作为一种新兴的非易失性存储器,有着高集成度、高速读写、非易失性和近乎无限次的写入等诸多优点被认为是最有可能取代现有SRAM和DRAM技术的有力候选技术之一。传统的计算机架构仍然面临着处理器与存储器之间的带宽问题,限制了计算机系统的整体能效,因此存内计算方案成为解决这个问题的一种有效思路。目前MRAM的研究还存在着高密度和高速读写的问题,本文围绕着这些问题,展开以下四个方面的研究。（1）针对存储单元高密度、低写入延时的设计需求,结合MTJ的Verilog-A模型,基于中芯国际55nm LL逻辑工艺,对1T-1MTJ、2T-1MTJ、2T-2MTJ的存储单元进行了混合信号仿真,设计出适合的存储单元。（2）针对灵敏放大器低读错误率、低读出功耗和高速读出的设计需求,分析了两种电流型灵敏放大器的优缺点。其中,钳位灵敏放大器在大型存储阵列中突出显示了低读错误率、较高读出速度和较低功耗等优点;预充电灵敏放大器在小型存储阵列中突出显示了较高读出速度和较低功耗等优点。（3）为了降低处理器与存储器之间的带宽占用并提升存储单元密度,提出了一种新型1T-1MTJ存内计算方案。该方案综合了现有的1T-1MTJ、2T-2MTJ和2T-1MTJ三种不同的存内计算方案的优点,解决了1T-1MTJ存内计算方案需要两种或者两种以上的参考电流的问题,并利用灵敏放大器实现“与”、“与非”、“或”和“或非”等逻辑运算。（4）为了提高灵敏放大器的读出速度并降低读错误率,设计了一种针对新型1T-1MTJ存内计算方案的高速灵敏放大器。该高速灵敏放大器与钳位型和预充电型灵敏放大器对比表明:改进型灵敏放大器读出速度提升了33%,在适配大型存储阵列(≥0.8p F)时拥有更强的读取能力与更优的功率积（PDP）,同时降低了读出的错误率。
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