[发明专利]自旋存算一体芯片

说明书

本发明公开一种自旋存算一体芯片，包括：自旋阵列模块和外围电路；自旋阵列模块包括多个呈阵列分布的自旋存算器，用于数据的存储与计算；自旋存算器包括第一存储单元，由包含磁隧道结(MTJ)结构的磁随机存储器(MRAM)阵列组成，用于存储需要长时间保存的数据。外围电路与自旋阵列模块相连，用于辅助自旋阵列模块进行数据的存储与计算。本发明将MRAM内置到计算核心中，形成同时具有存储与计算功能的自旋存算核心，并通过多个独立自旋存算核心的互联形成自旋存算芯片，进一步通过多个芯片之间的互联形成处理终端。本发明有效解决传统计算构架下，数据传输与处理中存在的存储墙与功耗墙的问题，提高系统的计算能效。

技术领域

本发明涉及自旋电子技术领域，更具体的说是涉及一种自旋存算一体芯片。

背景技术

在传统冯诺依曼计算体系结构中，存储器与处理器是分离的，两者之间通过数据总线进行连接，数据处理需要在存储器与处理器之间来回传输。但是，随着大数据应用的兴起，海量数据的传输与处理使得传统冯诺依曼计算体系结构面临带宽与功耗的双重挑战，分别称为存储墙与功耗墙问题。为了解决这两个难题，近年来，受到人脑中突触能同时进行记忆和计算的启发，计算机架构中的存算一体(Processing-In-Memory,PIM)技术开始得到人们的广泛研究。传统的存算一体技术是将SRAM(静态随机存储器)和逻辑计算单元集成在一个单元中，但是由于SRAM的数据存储具有易失性并且存储单元面积较大，这种方式的存算一体技术仍旧面临静态功耗并且存储单元面积较大的问题。

近年来，一种新兴的基于自旋电子学的非易失存储器MRAM(MagneticRandomAccess Memory,MRAM)得到了广泛的关注，被誉为下一代计算机体系架构的关键技术。MRAM的存储原理是通过改变MTJ(磁性隧道结)自由层的磁场极化方向，得到两个不同的电阻状态，实现1比特数据存储。相比于SRAM,MRAM具有以下的优点：

1)MRAM具有非易失性，可以极大地降低静态功耗；

2)MRAM存储单元的存储面积小，可以实现数倍于SRAM的存储密度；

3)MRAM数据读取速度更快，读取时间约为0.5ns-10ns；

4)MRAM可编程次数10⁶-10¹²，可以实现数据的多次反复读写。

现有的基于SRAM的存算一体技术对于解决海量数据的传输与处理问题仍存在静态功耗大和集成度低等问题，而基于MRAM的存算一体技术能够解决这些问题，因此开发基于MRAM的存算一体化芯片具有重要的现实意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种自旋存算一体芯片，通过将MRAM内置到计算核心中，形成同时具有存储与计算功能自旋存算核心，并通过多个独立计算核心的互联形成自旋存算芯片，进一步通过多个芯片之间的互联形成处理终端，有效解决海量数据的传输与处理中的存储墙与功耗墙的问题，提高系统的稳定性、可靠性和处理效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种自旋存算一体芯片，包括：自旋阵列模块和外围电路；

所述自旋阵列模块与所述外围电路相连；所述外围电路用于辅助所述自旋存算器进行数据的存储与计算；

所述自旋阵列模块包括阵列分布的一个以上的自旋存算器，相邻的所述自旋存算器之间相连并进行数据的传输，所述自旋存算器用于数据的存储与计算；

其中，所述自旋存算器中包括第一存储单元，所述第一存储单元用于存储需要长时间保存的数据，所述第一存储单元为MRAM存储阵列。

优选的，所述自旋存算器还包括第二存储单元、计算单元和控制单元；

所述第二存储单元用于缓存，来存储计算过程中产生的中间数据；