CN101329894B - 一种新型存储系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型存储系统，它充分发挥相变存储器的优点，结合当今与未来擦、写速度更快与循环次数更高的存储器来实现低压、低功耗、高速与长寿命的功效。这种新型存储系统，对相变存储块进行实时的探测，以读写频率为依据，对不同的相变存储块采用不同的读写方式，通过设定读写操作频率的参考值以及主体存储器部分与副体存储器部分的容量比例来调节整个存储系统的读写次数、速度和功耗。它的另一个优点是仅仅只需修改少量的参数便可以设计出完全不同的相变存储芯片，同时也使不同应用领域的相变存储器设计纳入到一个体系中。

Description

一种新型存储系统 

【技术领域】

本发明涉及微纳电子学技术领域，特别涉及一种新型存储系统。 

【背景技术】

相变存储器技术是基于Ovshinsky在20世纪60年代末(Phys.Rev.Lett.，21，1450～1453，1968)70年代初(Appl.Phys.Lett.，18，254～257，1971)提出的相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来的，是一种价格便宜、性能稳定的存储器件。相变存储器可以做在硅晶片衬底上，其关键材料是可记录的相变薄膜、加热电极材料、绝热材料和引出电极材的研究热点也就围绕其器件工艺展开：器件的物理机制研究，包括如何减小器件料等。相变存储器的基本原理是利用电脉冲信号作用于器件单元上，使相变材料在非晶态与多晶态之间发生可逆相变，通过分辨非晶态时的高阻与多晶态时的低阻，可以实现信息的写入、擦除和读出操作。 

相变存储器由于具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗强震动和抗辐射等优点，被国际半导体工业协会认为最有可能取代目前的闪存存储器而成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的器件。 

相变存储器的读、写、擦操作就是在器件单元上施加不同宽度和高度的电压或电流脉冲信号：擦操作(RESET)，当加一个短且强的脉冲信号使器件单元中的相变材料温度升高到熔化温度以上后，再经过快速冷却从而实现相变材料多晶态到非晶态的转换，即“1”态到“0”态的转换；写操作(SET)，当施加一个长且中等强度的脉冲信号使相变材料温度升到熔化温度之下、结晶温度之上后，并保持一段时间促使晶核生长，从而实现非晶态到多晶态的转换，即“0”态到“1”态的转换；读操作，当加一个对相变材料的状态不会产生影响的很弱的脉冲信号后，通过测量器件单元的电阻值来读取它的状态。 

目前世界上从事相变存储器研发工作的机构大多数是半导体行业的大公司，他们关注的焦点都集中在如何尽快实现相变存储块的商业化上。对于目前的相变存储芯片而言，可重复读写次数始终维持在10^7-12。而动态随机存储器(DRAM)的可重复读写次数可达到10¹⁴以上，静态随机存储器(SRAM)从理论上是可以无限次重复读写的。如何使得相变存储芯片能够进一步提升可重复读写次数一直是业界关注的焦点。大多数解决此方法的方式是从材料和工艺角度提高材料本身的性能。 

【发明内容】

本发明为解决现有技术中存在的问题，从相变存储器芯片设计的角度出发，提出一种充分发挥相变存储器的优点，并结合当今与未来擦、写速度更快与循环次数更高的存储器来实现低压、低功耗、高速与长寿命的新型存储系统。 

一种新型存储系统，由存储模块和对存储模块进行实时监控的控制电路组成，其中，所述存储模块包括： 

副体存储器和 

主体存储器，由多个存储块组成； 

每个存储块都包括一个相变存储块和 

一个读写次数寄存器，将自身所在的存储块被选中的次数进行累加； 

所述控制电路包括： 

计数器，对所有存储块中的读写次数寄存器进行清空； 

地址比较器，对地址进行译码，定位写入数据位于的存储块； 

数据读写地址切换模块，将累加到设定值的读写次数寄存器所在的存储块中相变存储块的数据拷贝到副体存储器中，之后的所有对所述累加到设定值的读写次数寄存器所在的存储块中相变存储块的数据操作全部转移到副体存储器中进行；如果在新的计数器的计数周期中，所述累加到设定值的读写次数寄存器所在的存储块中相变存储块的读写次数没有达到设定值，则将副体存储器中的数据转移回所述累加到设定值的读写次数寄存器所在的存储块中相变存储块，之后的读写操作在所述累加到设定值的读写次数寄存器所在的存储块中相变存储块中进行。作为本发明的一种优选方案，所述副体存储器是动态随机存储器。 

作为本发明的一种优选方案，所述副体存储器是静态随机存储器。 

本发明提出一种新型存储系统的存储方法，其中，所述存储方法包括以下步骤： 

1)计数器首先对所有存储块中的读写次数寄存器进行清空，开始累计次数；2)由地址比较器对地址进行译码，定位写入数据位于的存储块；与此同时，读写次数寄存器将自己所在的存储块被选中的次数进行累加；3)当累加到设定值时，读写次数寄存器发出信号给数据读写地址切换模块；4)数据读写地址切换模块接收到信号后，将累加到设定值的读写次数寄存器所在的存储块中相变存储块的数据拷贝到副体存储器中，之后的所有对所述相变存储块的数据操作全部转移到副体存储器中进行；5)当计数器的计数周期完成后，对所有存储块中的读写次数寄存器进行清空，重新开始累计计数； 

6)如果在新的计数器的计数周期中，所述相变存储块的读写次数没有达到设定值，则将副体存储器中的数据转移回所述相变存储块，之后的读写操作在所述相变存储块中进行。 

本发明的有益效果在于：它充分发挥了相变存储器的优点，结合了当今与未来擦、写速度更快与循环次数更高的存储器实现了低压、低功耗、高速与长寿命的功效，而且还可以通过设定读写操作频率的参考值以及主体存储器部分与副体存储器部分的容量比例来调节整个存储系统的读写次数、速度和功耗。 

本发明的另一个有益效果在于：它仅仅只需修改少量的参数便可以设计出完全不同的相变存储芯片，同时也使不同应用领域的相变存储器设计纳入到一个体系中。 

【附图说明】

图1为本发明的实现原理示意图。 

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明作进一步描述。 

本发明提出一种低压、低功耗、高速、长寿命的新型存储系统，它是在充分发挥相变存储器的优点的同时，结合了当今与未来擦、写速度更快，循环次数更高的副体存储器来实现的。图1显示了本发明的实现原理。 

一种新型存储系统100，由存储模块和对存储模块进行实时监控的控制电路组成，其中，所述存储模块包括：副体存储器115和主体存储器，由多个存储块组成；每个存储块都包括一个相变存储块110和一个读写次数寄存器111，将本存储块被选中的次数进行累加；所述控制电路包括：计数器112，对所有存储块中的读写次数寄存器111进行清空；地址比较器113，对地址进行译码，定位写入数据位于的存储块；数据读写地址切换模块114，将主体存储器中的数据转移到副体存储器115中或将副体存储器115中的数据转移到主体存储器中。所述副体存储器115是动态随机存储器。所述副体存储器115是静态随机存储器。 

本发明提出一种新型存储系统的存储方法，其中，所述存储方法包括以下步骤： 

1)计数器112首先对所有存储块中的读写次数寄存器进行清空，开始累计次数； 

2)由地址比较器113对地址进行译码，定位写入数据位于的存储块；与此同时，读写次数寄存器将自身所在的存储块被选中的次数进行累加； 

3)当累加到设定值时，读写次数寄存器111发出信号给数据读写地址切换模块114； 

4)数据读写地址切换模块114接收到信号后，将本存储块中相变存储块110的数据拷贝到副体存储器115中，之后的所有对相变存储块110的数据操作全部转移到副体存储器115 中进行； 

5)当计数器112的计数周期完成后，对所有存储块中的读写次数寄存器进行清空，重新开始累计计数； 

6)如果在新的计数器的计数周期中，相变存储块110的读写次数没有达到设定值，则将副体存储器115中的数据转移回相变存储块110，之后的读写操作在相变存储块110中进行。 

本发明在对相变存储块110进行读写过程中，利用控制电路对读写过程进行实时监控，将读、写频率高于某一个特定值的相变存储块110的数据转移至具有较高的读写次数和读写速度的副体存储器115中进行读、写操作，这时充分利用了副体存储器115的低压、低功耗、高速与长寿命的存储特性。等读、写操作频率降低至某一特定值时，从数据安全的角度出发，将副体存储器115中的数据转移到相变存储块110中，此时充分利用了相变存储块110非挥发兼顾存储速度快的特点。最终使存储系统100的存储次数进一步增加，读、写速度进一步加快，功耗降得更低，数据在断电时更有效地保持存储特性。 

本发明提出的这种新型存储系统的存储方法，结合了两种不同优化方向的存储方式的特点。主体存储器部分侧重于非易失性，而作为缓存的副体存储器115部分则侧重于高的读写次数、高速，低功耗。由于相变存储块110具有与CMOS工艺高度集成的特点，并且在工艺制备过程中位于CMOS工艺的后续步骤，这样就可以与处于CMOS工艺流程中较为靠前的DRAM，SRAM等存储器相结合。 

本发明提出的这种新型存储系统，对相变存储块110进行实时的探测，以读写频率为依据，对不同的相变存储块110采用不同的读写方式。由于输入数据的地址可以反映输入数据所处的相变存储块110，根据输入的地址，通过一个固定周期的时钟发生器，可以探测到在一个时钟周期内，有多少个数据被写入到特定的相变存储块110中。如果这个数量大于某一个特定的值，那么就将该相变存储块中的数据转移至具有较高的读写次数和读写速度的副体存储器115中进行读写操作。如果这个数量低于某一个特定的值，那么继续对该相变存储块110进行读写操作。 

本发明提出的这种新型存储系统，通过设定读写操作频率的参考值以及主体存储器部分与副体存储器115部分的容量比例来调节整个存储系统100的读写次数、速度和功耗。如果读写操作频率参考值设定的较低以及副体存储器115部分容量设定较大，则表明相变存储块110与副体存储器115之间的数据交换较为频繁，这样虽然能使可重复读写次数、存储速率、功耗等性能会有较佳的表现，但是其成本也会较高，面积也会较大。如果读写操作频率参考值设定的较高以及副体存储器115部分容量设定较小，则表明相变存储块110与副体存储器 115之间的数据交换较为稀少，这样虽然会使可重复读写次数、存储速率、功耗等性能会有较差的表现，但是其成本也会较低，集成度也会较高。 

作为存储器的产品，必定会应用于不同的领域，每个应用领域都有自身一定的应用特点。本发明提出的这种新型存储系统的存储方法，可以使不同应用领域的相变存储器设计纳入一个体系中，仅仅只需修改少量的参数便可以设计出完全不同的相变存储芯片。 

Claims (4)

1.一种新型存储系统，由存储模块和对存储模块进行实时监控的控制电路组成，其特征在于：所述存储模块包括：

副体存储器和

主体存储器，由多个存储块组成；

每个存储块都包括一个相变存储块和

一个读写次数寄存器，将自己所在的存储块被选中的次数进行累加；

所述控制电路包括：

计数器，对所有存储块中的读写次数寄存器进行清空；

地址比较器，对地址进行译码，定位写入数据位于的存储块；

数据读写地址切换模块，将累加到设定值的读写次数寄存器所在的存储块中相变存储块的数据拷贝到副体存储器中，之后的所有对所述累加到设定值的读写次数寄存器所在的存储块中相变存储块的数据操作全部转移到副体存储器中进行；如果在新的计数器的计数周期中，所述累加到设定值的读写次数寄存器所在的存储块中相变存储块的读写次数没有达到设定值，则将副体存储器中的数据转移回所述累加到设定值的读写次数寄存器所在的存储块中相变存储块，之后的读写操作在所述累加到设定值的读写次数寄存器所在的存储块中相变存储块中进行。

2.根据权利要求1所述的新型存储系统，其特征在于：所述副体存储器是动态随机存储器。

3.根据权利要求1所述的新型存储系统，其特征在于：所述副体存储器是静态随机存储器。

4.新型存储系统的存储方法，其特征在于：所述存储方法包括以下步骤：

1)计数器首先对所有存储块中的读写次数寄存器进行清空，开始累计次数；

2)由地址比较器对地址进行译码，定位写入数据位于的存储块；与此同时，读写次数寄存器将自己所在的存储块被选中的次数进行累加；

3)当累加到设定值时，读写次数寄存器发出信号给数据读写地址切换模块；

4)数据读写地址切换模块接收到信号后，将累加到设定值的读写次数寄存器所在的存储块中相变存储块的数据拷贝到副体存储器中，之后的所有对所述相变存储块的数据操作全部转移到副体存储器中进行；

5)当计数器的计数周期完成后，对所有存储块中的读写次数寄存器进行清空，重新开始累计计数；

6)如果在新的计数器的计数周期中，所述相变存储块的读写次数没有达到设定值，则将副体存储器中的数据转移回所述相变存储块，之后的读写操作在所述相变存储块中进行。

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