RRAM存算一体化乘法器的集成电路设计

发布时间：2020-08-05 15:36

【摘要】：随之CMOS工艺进入7nm制程时代,摩尔定律确定的“摩尔时代”即将终结,微电子行业迫切地需要新一代器件来引导整个行业往下发展。此外,传统冯-诺依曼体系构架的计算机,由于处理器性能和存储器性能之间极度不匹配以及传输总线的寄生效应,计算机的发展也到了瓶颈期。为了解决这两个问题,我们急需寻找新的突破口。RRAM(Resistive Random Access Memory)阻变存储器作为一种新型的非易失性存储由于结构简单,集成度高,低功耗等优点,一直被认为是最有可能突破传统器件限制的新型器件。近几年,关于RRAM的研究不仅在存储器方面取得了长足的进展,在存储、计算一体化的逻辑运算方面也取得了很大的进展,国际上不断有相关论文刊登,提出新的存算一体逻辑算法以改进和优化前人的逻辑算法。RRAM与逻辑运算的结合,不仅能解决传统存储器由于尺寸带来的限制,而且也为突破计算机瓶颈提供一种很好的解决方案。然而,基于RRAM的逻辑运算目前还处于研究阶段,虽然能简单地实现存储和计算的融合,但还都只是停留在基本的逻辑层面,还存在着许多不足,包括运算速度慢、对RRAM器件稳定性要求高、结构复杂等问题,这些问题亟待解决。在本文中,提出了一种基于表决器(MIG,Majority-Inverter Graph)逻辑的运算方法,从逻辑层面来讲,表决器逻辑被证明比传统的与或非逻辑在实现复杂运算方面具有更快的速度和更小的功耗,从RRAM层面上讲,表决器逻辑与RRAM本身具有很好的匹配性,单个RRAM单元便可以实现一次表决器逻辑操作。因此,在此基础上,本文基于RRAM的表决器逻辑设计了一位全加器多位乘法器,首先是从理论上分析如何用RRAM的表决器逻辑构建上述逻辑,其次,进行硬件电路设计并进行仿真,最终根据硬件电路的设计进行电路的物理实现。通过该表决器逻辑的研究和试验,不仅提高了当前基于RRAM逻辑运算的速度,同时也为将来的计算机算术逻辑单元的设计提供了一种方案。
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN402;TP332.2
【图文】：

示意图,存储器,示意图,上电极

工艺良好的兼容性和器件尺寸可缩小的特性，使得ＲＲＡＭ阻变存储器一直受到逡逑学术界和产业界的研究和关注，被认为最有可能取代ＦＬＡＳＨ存储器的新型存储逡逑器之一。如图１－１所示，ＲＲＡＭ阻变存储器是一个两端器件，具有ＭＩＭ的器件逡逑结构，即上下两个金属电极中夹一层绝缘介质（也叫电阻转变功能层），这一结逡逑构也被形象地称为“三明治”结构，分别由下电极阻变功能层和上电极组成ｍ。逡逑ＲＲＡＭ是通过自身阻态的大小来判断存储的数据，高阻态表示二进制“０”，低阻逡逑态表示二进制“１”，以Ｈｆ０２阻变材料的ＲＲＡＭ为例，其低阻态在ｌｋ邋Ｑ左右表“１”，逡逑高阻态在１００ｋ邋Ｑ左右表“０”。逡逑Ｉ逡逑上电极逡逑阻变层逡逑下电极逡逑１逡逑图１－１邋“三明治”结构的阻变存储器示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－１邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＭｓａｎｄｗｉｃｈＭ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ａ邋ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ邋ｍｅｍｏｒｙ逡逑ＲＲＡＭ除了作为非易失性存储器存储数据外，ＲＲＡＭ还可以结合一些新的逡逑２逡逑

特性图,特性图,器件

要对器件进行读操作来检查器件是否完成了邋ｓｅｔ或ｒｅｓｅｔ操作，此外，读电压ＶＲＥＡＤ逡逑是一个正向的小电压，且要远小于ＶＳＥＴ以免对器件造成误操作［１９］。逡逑图２－１是对一个ＲＲＡＭ器件多次电压扫描后得到的Ｉ／Ｖ特性曲线图，扫描逡逑范围是－２Ｖ－２Ｖ，从图中可以看出，当施加在器件两的电压从０开始正向逐渐增大逡逑到１．８Ｖ左右时，通过ＲＲＡＭ器件的电流突然增大，此时发生了邋ｓｅｔ操作，ＲＲＡＭ逡逑器件组态由高变低，当施加电压从零开始反向逐渐增大－ＩＶ后，通过器件的电流逡逑逐渐减小，器件发生ｒｅｓｅｔ操作，阻变层中的”导电细丝”逐渐断开，器件组态由逡逑低变高。逡逑１０＇２ｉ逦逡逑ｒｅｓｅｔ逡逑ｉ0－８－逦Ｙ逡逑１０９逦Ｉ逡逑－２．０邋－１．５邋－１．０邋－０．５邋０．０邋０．５邋１．０邋１．５邋２．０逡逑Ｖｏｌｔａｇｅ（Ｖ）逡逑图２－１邋ＲＲＡＭ单元的Ｉ／Ｖ特性图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－１邋Ｔｈｅ邋Ｗ邋ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ邋ｏｆ邋ｍｅｍｒｉｓｔｏｒｓ逡逑图２－２时对－ＲＲＡＭ器件施加不同电压脉冲ＲＲＡＭ阻态响应变化图，从图逡逑中可知，ＲＲＡＭ器件在第一个大小为Ｖｓｅｔ的电压脉冲作用后，立即进行读操作逡逑有电流经过器件，ＲＲＡＭ器件确实变为了低阻态，在第一个反向电压Ｖｒｅｓｅｔ的逡逑作用下读操作无电流通过

分布图,电压脉冲,瞬态响应,阻值

在工艺制备上的偏差导致ＲＲＡＭ的均匀性差，此外ＲＲＡＭ具有一定的使用寿逡逑命，随着使用时间的增加，ＲＲＡＭ导电特性不断变化直至损坏，这些因素都导致逡逑ＲＲＡＭ的阻变不唯一。图２－３—种ＲＲＡＭ器件的阻值分布图，有图可知，其低逡逑阻值转变范围为］０３－１０４ｎ，高阻态更是在１０５－１０８０之间变化，而如果一个ＲＲＡＭ逡逑器件的低阻态是ｉｏ４ｎ，高阻态是ｉｏ５ｎ，高低阻态只差了一个数量级，这对电路逡逑设计阻变存储器外围电路而言，将造成很大的麻烦，比如读电路无法识别器件的逡逑高低阻值等问题。针对ＲＲＡＭ外围电路设计而言，我们只需要ＲＲＡＭ器件有一逡逑个稳定的低阻值窗口且高低阻值最少相差两个数量级，高阻值则不做要求。逡逑９逡逑

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