[发明专利]基于STT-MTJ的存算一体系统、芯片及控制方法

说明书

本发明公开了基于STT‑MTJ的存算一体系统、芯片及控制方法，其中系统包括写驱动模块、存算一体阵列模块、逻辑选择模块、预充电感应放大模块，所述存算一体阵列模块内设有参考MTJ阵列；所述逻辑选择模块用于根据地址信息和控制信息控制存算一体阵列模块中对应的两个MTJ单元的控制线，并从预充电感应放大模块中选择输出布尔逻辑；所述预充电感应放大模块用于根据参考MTJ阵列获取所述两个MTJ单元的多个布尔逻辑。本发明结合参考MTJ阵列获取任意两个MTJ单元的多个布尔逻辑，打破了传统的冯诺依曼架构计算与存储分离的模式，减少了数据搬移的功耗，实现数据的非易失性，可广泛应用于芯片系统领域。

技术领域

本发明涉及芯片系统领域，尤其涉及一种基于STT-MTJ的存算一体系统、芯片及控制方法。

背景技术

MRAM是一种磁性非易失性随机存取存储器。该存储器从十九世纪八十年代中期开始研发，有学者认为MRAM最终将超过其他有竞争的存储技术，成为主导甚至通用的存储器。目前，其他存储技术(如Flash RAM和DRAM)具有实用优势，但是STT-MRAM在速度、面积、写入次数和功耗方面能够达到较好的折中，因此被业界认为是构建下一代非易失性缓存和主存的理想器件。

与传统的RAM芯片技术不同的是MRAM中的数据不是作为电荷或电流流动存储的，而是使用电阻存储器来存储信息的，MRAM具有更高得单元密度和近乎为零的泄露功耗。MRAM单元主要是由两个铁磁层组成的，其中铁磁层常见为CoFeB等，每个铁磁层都可以保持磁化，并由薄的绝缘层(Tunnel dielectric)隔开，常见为MgO、Al2O3等。其中一个铁磁层为特定极性的铁磁材料称为固定层(Fixed layer)，另外可以改变一层为自由层(Freelayer)，这种类似“三明治”结构的器件称为磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)。

STT-MRAM具有两个铁磁层并由极薄的绝缘层隔开。磁性材料层中的电子具有特性的自旋方向，而上、下两层铁磁层中的电子自旋方向或为相同、或为相反。根据上、下两层中电子自旋方向的相同或相反状态，电子发生隧穿现象的概率有所不同，对外则表现成两个不同的阻值：当上、下两层中电子自旋方向相同时，其中一个层次中的磁多子——即自旋方向相同的电子——隧穿至另一个层次并成为该层次的磁多子的概率就会相对较大，因此对外表现的阻值就较小，一般称之为R_P(Resistance of Parallel)，它将存储一个“0”；当上、下两层中电子自旋方向相反时，其中一个层次中的磁多子隧穿到另一个层次中就会成为磁少子，因此隧穿的概率就会相对性小很多，对外表现的阻值就会比较大，一般称之为R_AP(Resistance of Anti-Parallel)，它将存储一个“1”。当电流流经MTJ时，电流可以被FixedLayer自旋极化，并运用自旋转矩来极化Free Layer，因此，MTJ的状态可以被一个写电流来改变，这个性质被称为自旋转移力矩(Spin Transfer Torque)。

随着工艺技术的发展，使得CMOS技术发展迅猛，低功耗低成本的高速芯片更新换代更加迅速。苹果A12X仿生处理器、高通骁龙855处理器以及华为麒麟980处理器手机产品的商用面市宣告了CMOS 7nm工艺正式进入发展成熟阶段。然而，由于物理限制CMOS尺寸进一步缩小无论从成本上还是技术上将变得更加困难，摩尔定律即将完全失效，“摩尔时代”即将终结。此外，基于冯诺依曼体系构架的传统计算机，把处理器和存储分开，中央处理器处理数据时通过数据总线不停从存储器来回“搬移”数据，数据总线产生的寄生电容和寄生电阻将导致系统延迟的增加和额外能量损失。这部分能量在整个计算中占比很重，并且数据搬移的效率不会因为摩尔定律的发展而提高。