双极性阻变存储器外围关键电路设计

摘要

随着科技的进步，人们对人工智能、大数据、云计算和物联网等新兴学科的关注度越来越高。这些学科的发展都是通过对于大量目标数据进行采集存储，再通过相关算法对这些数据进行分析应用。由于人们对于高分辨率的图片和高清晰度的视频等数据强烈的保存需求，而这些存储信息数据的产生呈现指数式增长，因此促进了人们对于低功耗和高性能的存储器曰益增长的需求。非易失性存储器(Nonvolatile RAM，NVM)因为具有芯片掉电存储信息保留不变的优异特点，广泛受到消费市场的青睐。
　　闪存(Flash)是当下非易失性存储器消费市场的中流砥柱，占据主导位置，但是随着工艺的进步和人们需求的提高，闪存在数据密度、功耗和速度等方面遇到瓶颈的限制，人们不断寻找探索新兴存储技术和材料来解决这些问题。阻变存储器因为具有高微缩性、低功耗、高存储密度、结构简单、工艺兼容、易集成等优点，被人们认为最有希望取代闪存的新型存储器。但目前由于其机理并没有完全清楚，因此需要根据阻变存储器(RRAM)特性设计合适的外围电路以及编程算法。
　　本文基于阻变器件的阻值状态改变的机理研究，阐述RRAM的优势及其存在的缺点。针对没有适合用于仿真验证的阻变器件模型的困境，基于双极性RRAM的电学特性，建立了两种电路模型，一种模型是用MOS器件搭建，另外一种模型是用Verilog-A硬件描述语言搭建，并通过spectre仿真工具验证两种模型的准确性。对比两种阻变器件模型，考虑电路运算量、寄生以及为了方便后续细节参数调节，基于Verilog-A的阻变模型更具优势，并且可以模拟实际阻变器件的Forming操作时的电阻。所以本文采用该模型进行后续电路设计。
　　其次，通过介绍RRAM常见的存储单元结构，确定使用1T1R型存储结构作为本设计的基本单元结构。基于1T1R型的存储单元结构设计了读写电路，分析了常见的编程算法，并且根据设计的RRAM读写电路设计了脉宽和脉高都可调节的编程算法，进行仿真验证。
　　然后，对RRAM灵敏放大器和译码电路进行设计优化，并进行仿真验证。首先分析了传统的灵敏放大器存在的弊端，介绍了几种文献中优化的灵敏放大器，给出优化的多预充电流采样灵敏放大器的电路结构及其仿真情况。接着，介绍了常见的译码器的优缺点，根据需求设计了两级译码结构，并通过仿真验证字线译码器和位线译码器地址译码功能的正确性。
　　最后进行整体的读写功能完整性验证。通过对不同地址单元的写操作和读操作仿真，观察相应目标单元的位线电压建立情况，确定目标单元可以正确写入数据，并且数据可以被正确读出。通过对相同地址单元的写操作和读操作，观察相应目标单元SET电压和RESET电压建立情况，确定目标单元的阻变器件模型可以模拟实际器件阻变行为，并且转变的电阻状态可以被正确识别。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文的主要工作

第二章 RRAlVl存储机理与建模

2．1 RRAM工作机理

2．1．1 整体效应

2．1．2 局部效应

2．2 双极性阻变存储器模型与仿真

2．2．1 基于MOS器件的阻变存储器模型

2．2．1 基于Verilog-A的阻变存储器模型

2．3 本章小结

第三章 RRAM读写电路和编程算法设计

3．1 阻变存储单元

3．1．1 1R型存储单元结构

3．1．2 1D1R型存储单元结构

3．1．3 1T1R型存储单元结构

3．2 RRAM的读写电路

3．2．1 阻变存储单元操作流程

3．2．2 阻变存储单元读电路设计

3．2．3 阻变存储单元写电路设计

3．3 RRAM编程算法设计

3．3．1 固定脉冲编程算法

3．3．2 编程脉冲宽度调制算法

3．3．3 编程脉冲宽度和脉冲高度调制算法

3．4 本章小结

第四章 RRAM灵敏放大器与译码电路设计

4．1 RRAM整体架构

4．2 灵敏放大器电路设计

4．2．1 传统灵敏放大器

4．2．2 改进型灵敏放大器

4．2．3 多预充电流采样灵敏放大器

4．3 译码器电路设计

4．3．1 译码器电路原理

4．3．2 高速译码器电路设计

4．4 本章小结

第五章 RRAM整体电路仿真

5．1 写操作仿真

5．2 读操作仿真

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 设计总结

6．2 工作展望

参考文献

图表目录

致谢