[发明专利]运算存储阵列及其操作方法

说明书

技术领域

本公开一般地涉及半导体集成电路，更具体地，涉及一种可以同时计算和存储、具有并行运算能力的运算存储阵列及其操作方法。

背景技术

传统计算机以及其它具有计算能力的电子设备都是基于冯诺依曼体系制造的，它们的共同特点是将系统中的运算部分和存储部分分开。例如计算机中通常包括运算器、存储器和控制器等几个部分，它们之间通过总线传递数据。在计算时，先要从存储器中读取数据，然后通过总线把这些数据从存储器传递到运算器中，并在运算器中完成计算，最后再通过总线把计算后得到的结果传回存储器，并重新存储。在这样的计算过程中，大量的能量并未直接用于计算或存储数据，而是浪费在总线反复传递数据的过程中。当运算器处理数据的速度与存储器的读、写速度不匹配时，还会造成计算速度的降低。此外，传统的计算系统一般都是串行执行指令的，即每一条指令按照先后顺序逐一执行，而理想的计算系统应能够并行执行指令，即多条指令可以同时执行。

在当前大数据和物联网快速发展、移动设备广泛普及的时代背景下，传统的计算设备在能耗、速度等方面已逐渐难以满足人们的需求，需要突破冯诺依曼提出的计算机体系，发展新型计算系统。目前已提出的一种可行的方案是仿照人脑的结构，发展神经形态计算系统。这种系统具有并行执行指令、存储和运算不分离的特点，可以大大提高运算效率、降低能耗。但是，其计算方法与传统计算机完全不同，需要重新发展编程语言和相应的程序。如何在不改变传统编程方法的基础发展新型高效计算系统，仍然是值得探索的问题。

发明内容

本公开的目的至少部分地在于提供一种运算存储阵列及其操作方法。

根据本公开的一个方面，提供了一种运算存储阵列，包括：沿第一方向延伸的多条字线；沿与第一方向交叉的第二方向延伸的多条位线；分别设置于各位线和各字线的交叉点处且与相应位线和相应字线连接的多个阻变单元，每一阻变单元在高阻态和低阻态之间可切换并因此存储相应的数据；连接到每一条字线的基准单元，基准单元的一端连接到字线，而另一端连接到基准电压，其中基准单元的阻值在阻变单元的高阻态阻值和低阻态阻值之间；以及控制器，用于通过向位线施加电压脉冲序列，对连接到同一条字线的阻变单元中存储的数据进行逻辑运算。

根据本公开的另一方面，提供了一种对运算存储阵列进行操作的方法，其中，运算存储阵列包括沿第一方向延伸的多条字线、沿与第一方向交叉的第二方向延伸的多条位线、分别设置于各位线和各字线的交叉点处且与相应位线和相应字线连接的多个阻变单元、以及连接到每一条字线的基准单元，其中，每一阻变单元在高阻态和低阻态之间可切换并因此存储相应的数据，基准单元的一端连接到字线，而另一端连接到基准电压，其中基准单元的阻值在阻变单元的高阻态阻值和低阻态阻值之间，该方法包括：通过向位线施加电压脉冲序列，对连接到同一条字线的阻变单元中存储的数据进行逻辑运算。

根据本公开的实施例，提供了一种不同于冯诺依曼计算机体系框架的计算体系结构与系统，该体系结构与计算系统可基于阻变器件实现，能执行传统布尔逻辑，具有能够并行执行指令、运算和存储不分离的特点，在不改变传统编程方法的基础上，可实现新型高能效计算机或其它智能设备。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出冯诺依曼体系框架；

图2示意性示出了根据本公开实施例的计算体系框架；

图3示意性示出了根据本公开实施例的运算存储器的结构；

图4(a)示意性示出了阻变器件的结构，图4(b)示意性示出了包括这种阻变器件的阻变单元在字线和位线之间的连接方式，图4(c)示意性示出了包括阻变器件和限制器件的阻变单元在字线和位线之间的连接方式；

图5示意性示出了阻变单元107能够用于(非易失性)逻辑运算的原理；

图6示意性示出了根据本公开实施例的“非”逻辑的运算方式；

图7(a)示意性示出了根据本公开实施例的“或”逻辑的运算方式，图7(b)示意性示出了根据本公开另一实施例的“或”逻辑的运算方式；

图8示意性示出了根据本公开实施例的“与”逻辑的运算方式；

图9(a)示意性示出了根据本公开实施例的“异或”逻辑的运算方式，图9(b)示意性示出了根据本公开另一实施例的“异或”逻辑的运算方式；

图10示意性示出了根据本公开实施例的“全加”运算；