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存储器是计算机体系结构中的重要组成部分,随着半导体工艺特征尺寸的不断缩小,基于传统工艺的存储器遭遇了性能的瓶颈。传统存储技术面临着挑战也催生了新技术的出现,自旋转移力矩磁性随机存储器(STT-MRAM)就是其中最有商业前景的新型存储器之一,被认为是构建下一代非易失性缓存和主存的理想器件。高速、高可靠性和低功耗的电路设计对于STT-MRAM获得广泛应用至关重要。本文对STT-MRAM的读写电路进行了研究,并基于中芯国际40nm 1.1/2.5V工艺完成了高速、高可靠性和低功耗的设计实现。首先,研究了STT-MRAM工作机理,并采用Verilog-A语言构建了存储器件的仿真模型,模拟了器件的电阻特性和开关电流不对称性。然后设计了双端自检写电路架构,利用自检模块来判断写入数据类型,数据成功写入后立即终止操作,同时避免了写入重复数据的操作。写“0”和写“1”的有效判断范围分别为408mV和275mV,平均写功耗为0.106pJ/bit,比传统写电路节省了62.5%,其中有效写“0”和“1”分别节省了53.4%和15.8%,重复写“0”和“1”分别节省了94.1%和83.1%。最后,采用正负反馈结合的连接方式和源极负反馈思想,设计了对称参考单元型读出结构,其中灵敏放大器的读“0”和读“1”的读出范围分别为42.2mV~59.3mV和45.2mV~58.3mV。采用前置放大器和可再生比较器的组合对灵敏放大器感应电压进行比较,最坏情况的读“1”时间为4.3ns,读电流为5.68μA,读“0”时间为1ns,读电流为5.49μA。采用基准电压源为读电路提供偏置电压,功耗为0.88μW,温漂系数为7.4ppm/℃,电源调整率为11.1 ppm/V,低频电源抑制比为-55.4dB。用拉丁超立方体抽样方式抽取的1000个样本中,读取操作的正确率为100%。