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自旋转移矩磁性随机存储器(STT-MRAM:Spin Transfer Torque-Magnetic Radom Access Memory)是目前替代传统基于SRAM的易失性缓存的最有力竞争者。为了让STT-MRAM能更好的用于缓存,就必须减小其在写速度上的不足,因此有人提出将STT-MRAM嵌入到SRAM中的非易失SRAM(NV-SRAM:Nonvolitale SRAM)单元结构。目前已有的NV-SRAM单元包括6T-2MTJ和8T-2MTJ,但是6T-2MTJ的非易失写操作复杂,8T-2MTJ的面积大、控制信号多,导致其在L1//L2缓存中的应用受到了限制。为了让STT-MRAM能更好的用于高性能缓存,本文基于互补极化磁隧道结(CPMTJ:Complementary polarization Magnetic Tunnel Junction)提出了一款NV-SRAM单元,在易失模式下性能更接近SRAM,非易失模式下写操作更简单、写功耗更低,且单元的面积小。所完成的主要工作如下:1.建立了两端磁隧道结(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)和三端磁隧道结CPMTJ行为模型。通过分析两端和三端磁隧道结的结构组成和磁化翻转原理等基础理论,并对已有的可信服的磁隧道结物理模型进行分析,本文用Hspice语言对MTJ和CPMTJ的物理模型进行了行为描述,建立了能与当前CMOS工艺联合模拟的磁隧道结行为模型,并对模型进行了功能性验证和准确性分析。通过对MTJ和CPMTJ进行定量分析,指出了MTJ存在源端压降问题和写非对称性问题,导致利用MTJ的存储单元写功耗高、写操作复杂,而CPMTJ由于结构的特点,成功的避免了这两类问题。因此,本文所设计的NV-SRAM单元将基于CPMTJ而非传统NV-SRAM单元所用的MTJ。2.对传统的基于STT-MRAM的NV-SRAM单元进行了研究。目前已有的NV-SRAM单元包括6T-2MTJ和8T-2MTJ,本文主要分析了两种NV-SRAM单元的结构和特性,分析结果表明,6T-2MTJ和8T-2MTJ存在的最大的问题是非易失写操作过程复杂,导致非易失写功耗大且写延迟长,并且两种NV-SRAM单元对外围电路的要求导致了操作复杂度和功耗的进一步增加;另外,8T-2MTJ虽然在易失模式下的性能与SRAM相同,但是其存在面积大的问题;而6T-2MTJ在易失模式下性能离SRAM还存在差距,进一步限制了其在L1/L2缓存中的应用。3.设计了一款基于CPMTJ的NV-SRAM单元6T-1CPMTJ。基于对传统NVSRAM单元进行的功能分析与性能评估,针对6T-2MTJ和8T-2MTJ单元存在的不足,首次基于CPMTJ提出了一款NV-SRAM单元。该单元的非易失写操作相比于6T-2MTJ和8T-2MTJ而言,只需要给一次控制信号就能实现,并且6T-1CPMTJ单元的面积小、操作简单;此外,实验结果表明,当所有NV-SRAM单元满足最小面积约束时,相比于6T-2MTJ,6T-1CPMTJ的非易失写时间减小了8.14%,非易失写功耗降低了61.2%;相比8T-2MTJ,6T-1CPMTJ的非易失写时间减小了13%,写功耗降低了62.1%。此外,通过对6T-1CPMTJ进行优化,其易失模式下的性能能尽可能的接近SRAM、且带来的面积开销小;并且6T-1CPMTJ单元本身存在非易失自写特性,能对阵列中多个单元同时进行操作,使得对写功耗和写时间的要求也降低。