一种基于忆阻器的2T2M存储阵列的设计研究.pdf

第4 9卷 第3期2 0 2 3年9月延 边 大 学 学 报(自然科学版)J o u r n a l o f Y a n b i a n U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n)V o l.4 9 N o.3S e p.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 3 0 5 0 8基金项目:吉林省教育厅科学研究项目(J J KH 2 0 2 1 0 5 8 9 K J)第一作者:蔡振扬(2 0 0 0),男,硕士研究生,研究方向为非线性动力学.通信作者:徐红梅(1 9 7 5),女,博士,教授,研究方向为非线性动力学.文章编号:1 0 0 4-4 3 5 3(2 0 2 3)0 3-0 2 5 7-0 5一种基于忆阻器的2 T 2 M存储阵列的设计研究蔡振扬,刘苡萌,徐红梅(延边大学 工学院,吉林 延吉 1 3 3 0 0 2)摘要:为了提高非易失性存储器的存储密度和存储效率,提出了一种基于忆阻器的2 T 2 M存储阵列.该阵列采用1 01 0的交叉结构.S i m u l i n k仿真实验证明,该存储阵列不仅可以有效增加存储单元的存储密度和提高存储效率,而且电路结构简单;因此,该存储阵列可为高存储密度电路和图像存储的设计提供参考.关键词:忆阻器;存储阵列;2 T 2M;读写操作;存储单元;存储密度中图分类号:T P 3 4 3 文献标志码:AD e s i g n o f a 2 T 2 M s t o r a g e a r r a y b a s e d o n m e m r i s t o r sC A I Z h e n y a n g,L I U Y i m e n g,XU H o n g m e i(C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g,Y a n b i a n U n i v e r s i t y,Y a n j i 1 3 3 0 0 2,C h i n a)A b s t r a c t:A 2 T 2 M s t o r a g e a r r a y b a s e d o n r e s i s t i v e s w i t c h i n g m e m o r y w a s p r o p o s e d t o e n h a n c e t h e s t o r a g e d e n s i t y,e f f i c i e n c y,a n d a c h i e v e r a p i d r e a d/w r i t e o p e r a t i o n s.T h i s a r r a y a d o p t s a 1 01 0 c r o s s-p o i n t s t r u c t u r e.S i m u l i n k s i m u l a t i o n s d e m o n s t r a t e d t h a t t h i s s t o r a g e c r o s s-p o i n t a r r a y n o t o n l y i n c r e a s e s t h e s t o r a g e d e n s i t y o f m e m o r y c e l l s a n d i m p r o v e s s t o r a g e e f f i c i e n c y,b u t a l s o f e a t u r e s a s i m p l e c i r c u i t s t r u c t u r e.T h e r e f o r e,t h i s s t o r a g e a r r a y c a n s e r v e a s a r e f e r e n c e f o r t h e d e s i g n o f h i g h-d e n s i t y c i r c u i t s a n d i m a g e s t o r a g e.K e y w o r d s:m e m r i s t o r s;s t o r a g e a r r a y s;2 T 2M;r e a d a n d w r i t e o p e r a t i o n s;m e m o r y c e l l;s t o r a g e d e n s i t y0 引言忆阻器作为一种新型存储器件,因其具有非易失性、开关特性以及可与CMO S工艺兼容等优点,因此可被用于阻变存储器件的制备中.为了提高忆阻器电路的存储密度、响应速度及其稳定性等,许多学者对其进行了研究.例如:徐红梅等1提出了一种基于忆阻器的S R AM存储单元的设计方案,研究显示该方案可有效提高存储单元的读写速度和稳定性,并可有效降低功耗;T e t z l a f f等2研究显示,利用二阶动态路线图的分析方法对存储块的数据进行分析可显著减少存储块在存储电路中的使用数量;孙晶茹等3提出了一种基于异构忆阻器的多值存储交叉阵列,研究显示该阵列可用单个电压信号完成4值读写的操作,并且其电路结构简单,读写速度快,能够克服漏电流问题;I s h i z a k a等4将忆阻器技术与传统的CMO S电路相结合,设计了一种可有效提高纠错编码效率的方案;W a n g等5探究了在CMO S设计中应用多态忆阻器的可行性;M a n e m等6针对1 T 1 M多级电阻存储器提出了一种可读取写入电路,其研究还发现利用指数漂移忆阻器模型可以有效提高器件的写入速度;M a n e等7设计了一种新型逻辑门电路,研究显示其可有效提高电路的可编延边大学学报(自然科学版)第4 9卷 程性和灵活性;S i n g h等8设计了一种7 T 2 M电路,研究显示该电路的稳定性和读写时间裕度优于传统的6 T 1 R电路;V o n t o b e l等9利用横纵交叉结构设计了一种存储阵列,研究显示该存储阵列可显著提高数据的读写速度.基于上述研究,本文设计了一种基于忆阻器的2 T 2 M存储交叉阵列,并通过仿真实验证明验证了该阵列的有效性.1 H P物理忆阻器的数学模型H P物理忆阻器的内部结构由两个T i O2层(放置在两个铂电极之间)组成,其中一层为掺杂区域,另一层为未掺杂区(纯T i O2),如图1所示.忆阻器的总电阻由串联区域的两个可变电阻决定.对忆阻器施加外部激励电压(V(t),可使两个区域之间的边界发生移动,进而可使忆阻器的忆阻值发生变化.图1 H P物理忆阻器的内部结构示意图忆阻器的物理模型示意图如图2所示,其表达式为:M(t)=Mo f f+(Mo n-Mo f f)(t)D.(1)其中:D是T i O2层的厚度,(t)是掺杂区域的厚度,Mo f f和Mo n分别为(t)=0和(t)=D时的极限忆阻.图2 忆阻器的物理模型示意图区域边界的移动速度与流经忆阻器的电流之间的函数关系为:(t)=vMo nDi(t).(2)其中:v是半导体薄膜中的氧空位的平均迁移率,v1 0-1 4m2.s-1.V-1.对式(2)进行积分可得:(t)=vMo nDq(t)+(0).(3)将式(3)代入式(1)可得:M(t)=Mi n t+k q(t).(4)其中:Mi n t为初始忆阻;常数k为忆阻与电荷的比例因子,k=(Mo n-Mo f f)vMo nD2.根据欧姆定律,对式(4)进行整理可得:V(t)=M(q(t)i(t)=(Mi n t+k q(t)dq(t)dt.(5)其中:i(t)表示 施 加 到 忆 阻 器 上 的 电 流 强 度;M(q(t)表示t时刻的忆阻.磁通量与电荷q之间的函数关系为:d=M(q(t)dq.(6)对式(6)进行积分可得=2k(t)Mo f f-Mi n tk.再将式(4)代入上式可得忆阻与磁通量的关系为:M(t)=2k(t)+M2i n t.(7)2 基于忆阻器的R R AM存储阵列的设计R R AM存储阵列由多个忆阻器组成,其可以通过行列选择线访问地址和读写数据.与传统的D R AM相比,R R AM存储阵列具有稳定性高、功耗低、访问速度快、存储密度大以及不需要刷新操作等优点.2.1 2 T 2 M存储单元的电路结构由于忆阻器具有逻辑切换的功能,因此可通过测量忆阻器两端的电压判断出忆阻器的阻态及其逻辑状态.基于忆阻器的上述特性,本文设计了一个2 T 2 M存储单元,其结构如图3所示.每个2 T 2 M存储单元均由2个忆阻器和2个场效应管组成.由于忆阻器的电阻值是根据先前的存储状态决定的,因此可以通过读取电阻值来确定存储单元中的存储数据.图3 单个2 T 2 M存储单元的结构示意图852 第3期蔡振扬,等:一种基于忆阻器的2 T 2 M存储阵列的设计研究2.2 写操作的电路设计及其仿真分析图4为写操作的电路图.仿真电路中包含了2个忆阻器(M 1和M 2)和2个NMO S管(T 1和T 2),其工作原理为:当电路接入高电平时,T 1和T 2分别开启,电流经过M 1和M 2流向地;当通过线路接入到低电平时,由T 1和T 2两端的字线分别控制T 1和T 2的关闭,由此使得电流不再通过M 1和M 2.因此,控制T 1和T 2的开关状态就可以分别对M 1和M 2进行写操作.在写入数据时,输入数据通过输入线路存储到2 T 2 M存储单元中,控制信号和忆阻器状态所对应的二进制值通过位线输入到2 T 2 M存储单元中.图4 2 T 2 M存储单元的写操作电路图图5为写操作的仿真图.由图5可以看出,在输入电压Vw d、Vw d 1、Vw d 2的激励下,忆阻器M 1和M 2的响应情况为:输入电压Vw d的幅度为4V,激励时间段为32 8n s;脉冲控制电压Vw d 1的幅度为5V,激励时间段分别为44.6n s和1 52 1n s;脉冲控制电压Vw d 2的幅度为5V,激励时间段分别为45n s和1 52 8.2n s;在控制电压Vw d 1的作用下,M 1的电阻值变化分别为17k 和77 0k;在控制电压Vw d 2的作用下,M 2的电阻值变化分别为1 8 01 7 0 k 和1 7 05 0 k.该结果表明,基于忆阻器的2 T 2 M存储单元电路可以完成数据的写入操作.2.3 读操作的电路设计及其仿真分析图6为2 T 2 M存储单元的读操作电路图.该电路中包含2个忆阻器(M 1和M 2)、3个NMO S管和1个限流电阻R 3.读操作的工作原理为:当输入电压为V D D时,电流通过M 1和M 2将存储信息以电压的方式表现出来(存储在M 1和M 2的信息分别用V1=IT 1M1和V2=IT 2M2表示).这里需要注意的是,在读操作中忆阻器两端的电压不能超过阈值电压VT,否则会改变存储信息.图5 2 T 2 M存储单元的写操作仿真图图6 2 T 2 M存储单元的读操作电路图读操作的基本操作步骤如下:1)将要读取的行地址和列地址存储到对应的行地址和列地址的寄存器中,并将行选择线和列选择线设置为对应的行地址和列地址.行选择线与每个磁控忆阻器的控制端相连(用于选取要读取的行),列选择线与每个三极管的控制端相连(用于打开要读取的列).2)打开选定的行和列后,将读取电压输入到要读取的磁控忆阻器上.该读取电压的大小和持续时间由磁控忆阻器的特性和读取速度决定.3)读取磁控忆阻器的输出电压,并将其传输到读电路的输入端.输出电压的大小和极性由所选的行和列的状态决定.4)利用转换后的数字逻辑电平处理和分析输入信号,以实现对数据的读取和进一步处理.图7是基于2 T 2 M存储单元的读操作仿真图.由图7可以看出:由于V1和V2都小于忆阻器的阈值电压VT,所以忆阻器内部的存储状态不会被改变,进而可将存储在M 1和M 2中的信息转换为V1和V2.952延边大学学报(自然科学版)第4 9卷 图7 2 T 2 M存储单元的读操作仿真图2.4 基于2 T 2 M的存储交叉阵列的设计及其仿真本文设计的存储阵列如图8所示.该阵列的存储结构为1 01 0的交叉阵列.阵列中,一部分忆阻器配置的是高电平,另一部分配置的是低电平.选址电路通过相应的字线和位线向存储单元施加电压即可实现对不同存储单元的访问.图9为忆阻交叉阵列的局部放大图.图中的每个存储单元均由2 T 2 M结构组成,各存储单元之间由2根位线和1根字线交叉相连接.位线用于控制2 T 2 M中晶体管的导通和关断,字线用于施加输入电压.图1 0是基于2 T 2 M的1 01 0存储交叉阵列的S i m u l i n k结构图.为了更好地进行仿真实验,本文根据交叉阵列的结构特点,将该存储交叉阵列在S i m u l i n k中对其模块进行了整合,得到了如图1 1所示的S i m u l i n k仿真模型图.图8 交叉阵列的示意图图9 交叉阵列的局部放大图图1 0 基于2 T 2 M的1 01 0存储交叉阵列的S i m u l i n k结构图图1 1 基于2 T 2 M存储交叉阵列的仿真模型图062 第3期蔡振扬,等:一种基于忆阻器的2 T 2 M存储阵列的设计研究3 性能比较为了评估本文提出的2 T 2 M存储交叉阵列的性能,将其与现有的基于忆阻器的双极性存储器和内容寻址存储器进行了比较(均采用相同的工作电压(0.9V)和晶体管尺寸(3 2n m),结果见表1.由表1可以看出,该阵列的读写时间显著低于基于忆阻器的双极性存储器和内容寻址存储器的读写时间.其原因是:本文设计的存储交叉阵列在读取数据时不需要搜索操作,直接读写数据即可;而基于忆阻器的内容寻址存储器须通过搜索操作才能进行数据的读取操作,基于忆阻器的双极性存储器须先将储存的数据通过编码电路将其转换成相应的电信号才能进行数据的读写操作.表1 不同存储器的读写时间存储器写入时间/n s读取时间/n s本文设计的存储阵列2.8 03.3 0双极性存储器2 1 9.0 01.0 9内容寻址存储器5 1.2 01 2.0 0表2为不同闪存单元的读写时间.由表2可以看出,本文所设计的存储阵列在写入时间、读取时间等方面显著优于NAN D闪存单元和NO R闪存单元1 0-1 1.表2 不同闪存单元的读写时间闪存单元写入时间/n s读取时间/n s本文设计的存储阵列2.8 03.3 0NAN D闪存单元1.1 51 049 0.0 0NO R闪存单元4.0 01 041.2 51 054 结论研究表明,本文提出的基于忆阻器的2 T 2 M存储交叉阵列不仅可有效增加存储密度,提高存储的读写速度,而且还具有电路简单的优点.在今后研究中,我们将探讨该存储交叉阵列在高存储密度电路和图像存储中的应用.参考文献:1 徐红梅,李浩申,刘苡萌.基于忆阻器的S R AM存储单元设计J.延边大学学报(自然科学版),2 0 2 2,4 8(3):2 2 2-2 2 8.2 T E T Z L A F F R,A S C O L I A,ME S S A R I S Y,e t a l.T h e o r e t i c a l f o u n d a t i o n s o f m e m r i s t o r c e l l u l a r n o n-l i n e a r n e t w o r k s:m e m c o m p u t i n g w i t h b i s t a b l e-l i k e m e m r i s t o r sJ.I E E E T r a n s a c t i o n s o n C i r c u i t s a n d S y s t e m s I:R e g u l a r P a p e r s,2 0 1 9,6 7(2):5 0 2-5 1 5.3 孙晶 茹,李 梦圆,康 可 欣,等.基 于 异 构 忆 阻 器 的1 T 2M 多值存储交叉阵列设计J.电子与信息学报,2 0 2 1,4 3(6):1 5 3 3-1 5 4 0.4 L S H I Z AKA M,S H I N T AN I M,I NOU E M.A r e a-e f f i c i e n t a n d r e l i a b l e e r r o r c o r r e c t i n g c o d e c i r c u i t b a s e d o n h y b r i d CMO S/m e m r i s t o r c i r c u i tJ.J o u r-n a l o f E l e c t r o n i c T e s t i n g,2 0 2 0,3 6:5 3 7-5 4 6.5 WAN G C H,S I Z G,J I ANG X F,e t a l.M u l t i-s t a t e m e m r i s t o r s a n d t h e i r a p p l i c a t i o n s:a n o v e r v i e wJ.I E E E J o u r n a l o n E m e r g i n g a n d S e l e c t e d T o p i c s i n C i r c u i t s a n d S y s t e m s,2 0 2 2,1 2(4):7 2 3-7 3 4.6 MAN EM H,R O S E G S.A r e a d-m o n i t o r e d w r i t e c i r c u i t f o r 1 T 1M m u l t i-l e v e l m e m r i s t o r m e m o r i e sC/2 0 1 1 I E E E I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o f C i r-c u i t s a n d S y s t e m s(I S C A S).R i o d e J a n e i r o:I E E E,2 0 1 1:2 9 3 8-2 9 4 1.7 MAN E P,TA L A T I N,R I S WA D KA R A,e t a l.R e c o n f i g u r a t i o n o n n a n o c r o s s b a r u s i n g m a t e r i a l i m p l i c a t i o nJ.S d h a n,2 0 1 7,4 2(1):3 3-4 4.8S I N GH J,R A J B.D e s i g n a n d i n v e s t i g a t i o n o f 7 T 2M-NV S R AM w i t h e n h a n c e d s t a b i l i t y a n d t e m-p e r a t u r e i m p a c t o n s t o r e/r e s t o r e e n e r g yJ.I E E E T r a n s a c t i o n s o n V e r y L a r g e S c a l e I n t e g r a t i o n(V L S I)S y s t e m s,2 0 1 9,2 7(6):1 3 2 2-1 3 2 8.9 VON TO B E L P O,R O B I N E T T W,KU E K E S P J,e t a l.W r i t i n g t o a n d r e a d i n g f r o m a n a n o-s c a l e c r o s s b a r m e m o r y b a s e d o n m e m r i s t o r sJ.N a n o-t e c h n o l o g y,2 0 0 9,2 0(4 2):4 2 5 2 0 4.1 0 DU B E Y S K,R E D D Y A,P A T E L R,e t a l.A r c h i-t e c t u r e o f r e s i s t i v e R AM w i t h w r i t e d r i v e rJ.S o l i d S t a t e E l e c t r o n i c s L e t t e r s,2 0 2 0,2:1 0-2 2.1 1 L E E C,B A E K S H,P A R K K H.A h y b r i d f l a s h f i l e s y s t e m b a s e d o n NOR a n d NAN D f l a s h m e m o-r i e s f o r e m b e d d e d d e v i c e sJ.I E E E T r a n s a c t i o n s o n C o m p u t e r s,2 0 0 8,5 7(7):1 0 0 2-1 0 0 8.162