相變存儲(chǔ)器的高可靠性多值存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

表1 　各種狀態(tài)的比較輸出結(jié)果

相關(guān)SPICE 模型和仿真結(jié)果

目前硫系化合物材料的相變物理機(jī)理至今沒有完全搞清楚。 相關(guān)文獻(xiàn)已證實(shí)，PCR 的阻值可通過晶化脈沖的個(gè)數(shù)加以控制。 這里提出一種相應(yīng)的PCR 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

圖4 　具有4 態(tài)的PCR 模型

圖5 　編寫R4/R2 ( A0～ A 6 :“0110000”)

圖 4 為所提出的雙端(A ，B) 4 態(tài)(分別對(duì)應(yīng)4 種不同阻值) 可編寫的PCR 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?圖中的PCR 阻值由Write脈沖的個(gè)數(shù)來控制。上面已經(jīng)討論了讀操作，這里主要針對(duì)寫操作過程對(duì)模型和仿真進(jìn)行討論。 在編寫前，需要首先對(duì)PCR 進(jìn)行擦除( Erase) 操作以確定編寫的初始態(tài)。Erase 即為PCM 中的Reset 操作，將PCR 轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦璺蔷B(tài)。 接下來的編寫脈沖(Set ) 逐步降低PCR 阻值，使之從非晶狀態(tài)逐漸向多晶狀態(tài)轉(zhuǎn)化。 圖4 中，R 為D 觸發(fā)器的復(fù)位端。 PCR 的4 態(tài)阻值為R1 = RA//RB//RC//RD ，R2= RA//RB//RC ，R3 = RA//RB ，R4 = RA ，(忽略MOS 選通管的導(dǎo)通電阻RDS) 。 在執(zhí)行寫操作時(shí)，激勵(lì)源產(chǎn)生Set和Reset 脈沖。 相關(guān)電路結(jié)構(gòu)可見文獻(xiàn)中圖3。 Reset 脈沖此時(shí)為擦除脈沖，將PCR 寫為阻值最高的非晶態(tài)。 而Set 脈沖則不同于傳統(tǒng)2 態(tài)存儲(chǔ)下的情況:它并非一次性而是逐步的晶化PCR ，由此產(chǎn)生各種介于完全多晶態(tài)和完全非晶態(tài)之間的中間態(tài)。 具體的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系如文獻(xiàn)中的圖8 所示。

在多值存儲(chǔ)的情況下，直接編寫是不可能的(因?yàn)榫帉懨}沖和初態(tài)有關(guān)) 。 取而代之的有2 種編寫方法，先擦除后編寫，或先預(yù)讀再適當(dāng)編寫。 對(duì)于多值存儲(chǔ)下的讀操作，同樣有2 種操作方法，一次性并行讀出，或二分法串行讀出。

圖 5 是單元寫為“010”的仿真結(jié)果。 著重驗(yàn)證全新狀態(tài)定義的可行性，寫操作采用“先擦除后編寫”模式，讀操作采用并行讀出，以簡(jiǎn)化控制邏輯和時(shí)序。存儲(chǔ)單元和外圍電路基于0.35 μm 的CMOS 工藝，工作電壓3.5 V(一部分外圍電路的工作電壓為5 V) 。 仿真采用HSPICE。編寫前，選中單元中2 個(gè)PCR 均被初始化(擦除) 為R4 狀態(tài)(如圖2 ，R4 代表最高阻的非晶態(tài)) 。 讀出時(shí)，對(duì)單元內(nèi)2 個(gè)PCR 施加相同的激勵(lì)電壓，通過比較PCR 上的電流以確定阻值比。針對(duì)“010”的情況(其最終狀態(tài)是R4/R2) ，隨后的編寫只針對(duì)連接偶數(shù)位線的那個(gè)PCR。 圖5 中，從上到下分別是編寫脈沖V 1 、擦除脈沖V 2 (初始化) 、S/A 預(yù)充電脈沖V 3 和輸出比較結(jié)果A 0～ A 6 的時(shí)序波形圖。 根據(jù)表1 ，初始化后，偶數(shù)位線上的2 個(gè)連續(xù)脈沖即可使該位線所接的PCR從R4 狀態(tài)轉(zhuǎn)化為R2 ，且比較輸出結(jié)果A 0～ A 6 應(yīng)該為“0110000”(對(duì)應(yīng)3 位二進(jìn)制輸出“010”) 。 仿真結(jié)果完全吻合。

優(yōu)　化

讀寫操作的優(yōu)化

寫：PCM 中讀操作功耗很小，且讀操作比寫和擦除操作快得多(尤其和晶化PCR 的SET 操作相比)，因此預(yù)讀后編寫相對(duì)于先擦除后編寫模式，在功耗和速度上均有優(yōu)勢(shì)。

讀：PCM 中讀操作速度快、低功耗的特點(diǎn)有利于采用二分法串行讀出模式而非并行模式，且在8 態(tài)存儲(chǔ)下其外圍電路相對(duì)簡(jiǎn)單。 故采用預(yù)讀的寫模式和二分法串行讀出模式。

圖6 　可實(shí)現(xiàn)7 種不同比較的S/A

外圍電路的優(yōu)化

在二分法串行讀出模式中，并行讀出所需的7 個(gè)S/A 和相應(yīng)的電流驅(qū)動(dòng)模塊由1 個(gè)可配置的S/A 代替，如圖6 所示。 該S/A 可完成7 種不同的比較。 其中，M3 ，M5 ，M7 的寬長(zhǎng)比，分別是M1 的b-a ，a-1 ，c-a倍。 而M4 ，M6 ，M8 的寬長(zhǎng)比是M2 的b - a ，a - 1 ，c - a 倍。 合理設(shè)定控制信號(hào)X1 ，X2 ，X3 ，C 和D可以實(shí)現(xiàn)兩股輸入電流I0 和I1 的各種比較，如I0 與b 倍的I1 比較等。 采用這種S/A 后，外圍的S/A 數(shù)目明顯減少，有利于提高存儲(chǔ)密度。 同時(shí)由于PCM 讀操作速度相對(duì)寫操作較快，串行讀出對(duì)電路的速度造成的影響很小。

新型軟硬結(jié)合的ECC 糾錯(cuò)方法

針對(duì)信息存儲(chǔ)中可能的出錯(cuò)，傳統(tǒng)方法是應(yīng)用ECC 校驗(yàn)糾錯(cuò)，以Hamming 碼為代表。 但這種方法所需的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本昂貴且降低了存儲(chǔ)密度。

對(duì)PCM 而言，出錯(cuò)主要體現(xiàn)為PCR 的阻值漂移。 這里，同樣基于以比值為導(dǎo)向的狀態(tài)定義，在利用PCR 較大的動(dòng)態(tài)電阻范圍的基礎(chǔ)上，提出一種軟硬件結(jié)合的ECC 方法。

圖7 　帶有DEM 功能的8 態(tài)定義及其分布情況

圖 7 是帶有漂移錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)(drift errormonitoring ，DEM) 功能的狀態(tài)分布圖。相變材料提供的大動(dòng)態(tài)電阻變化范圍使得比值的一維區(qū)間在劃分出多種存儲(chǔ)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的各區(qū)間后，仍有足夠的空間可供使用。這些剩余的空間可以劃分成幾部分而位于各個(gè)存儲(chǔ)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的比值區(qū)間之間，稱之為“禁區(qū)”，如陰影所示。 即:一旦同一單元內(nèi)2 個(gè)PCR的電阻比值( RO/RE ，RO ，RE 分別為奇數(shù)和偶數(shù)位線上的PCR 阻值) 落入這些禁區(qū)，就認(rèn)為是發(fā)生了錯(cuò)誤。 2T2R 單元內(nèi)2 個(gè)PCR 受到外界幾乎相同的干擾，而幾乎相同程度的阻值漂移將使得其電阻比值基本保持不變，故而電阻阻值比難以逾越這些“禁區(qū)”而從一狀態(tài)直接跳變?yōu)榱硪粻顟B(tài)。因此，一旦出錯(cuò)，原正確狀態(tài)必是“禁區(qū)”兩側(cè)緊鄰的兩種狀態(tài)之一(而不是像傳統(tǒng)ECC 那樣，在8 種狀態(tài)中判斷) 。 這就大大降低了后繼ECC 找錯(cuò)和糾錯(cuò)的難度，簡(jiǎn)化了外圍電路，有利于高密度下的安全存儲(chǔ)。