CN101329907B - 一种降低相变存储器编程功耗的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种降低相变存储器编程功耗的系统及方法，在进行当前编程操作的同时，预读下一位或多位待编程的地址位，将其数据与待编程数据相比较：如果待编程数据与存储器原始存入数据相同，则不进行编程操作；如果待编程数据与存储器原始存入数据不同，则进行编程操作。由于存储器的状态处于“0”与“1”两种状态，按照概率理论，待编程数据与存储器原始数据相同的概率为50％，故该方法能够降低存储芯片50％的功耗，提高了存储单元的存储寿命，同时擦、写时间比读的时间要长，因此该发明也可提高芯片的存储速度。
Description
技术领域
本发明涉及微纳电子学技术领域，尤其是指一种降低相变存储器编程功耗的系统及方法。
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器的商业化上。由于相变存储器在进行RESET操作时，需要将相变材料进行熔化，所以需要消耗大量的能量。而目前所设计的相变存储器大多是针对直写模式(write directly)开发的：在编程过程中不管原有数据，直接对存储器进行编程操作。如果原有单元已经处于非晶态，而编程操作的结果也是让其处于非晶态的话，那么其实等于浪费了编程操作。根据统计学原理，从统计角度看，由于相变单元永远只有非晶与多晶两种状态，那么编程前后处于相同状态的比例应该是50％。故而，直写模式的相变存储器功耗浪费达到50％！
因此，实有必要对现有的相变存储器编程系统及方法做进一步改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种降低相变存储器编程功耗的系统及方法，实现在不影响编程速度的前提下，降低一半的功耗。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种降低相变存储器编程功耗的系统，其包括编程模块及读取模块，其中，该系统进一步包括
预读模块，用于在执行本次编程操作的同时，对下一位或多位待编程地址位进行预读；
比较模块，用于比较预读的待编程数据与存储器原有数据是否相同，如果预读的待编程数据与存储器原始存入数据相同，则不进行编程操作；如果预读的待编程数据与存储器原始存入数据不同，则进行编程操作；
临时存储载体，用于保存预读模块所得的结果，以供下一位或多位编程时调用；
地址转换模块，用于通过地址转换协议，使得前后两次编程的地址出现在同一条字线或位线上，或使得前后两次编程的地址不出现在同一个存储块中；
两个位线选通器件，用于分别控制读取模块和编程模块。
作为本发明的优选方案之一，所述比较模块包括比较电路。
作为本发明的优选方案之一，所述临时存储载体包括寄存器、静态随机存储器、动态存储器。
作为本发明的优选方案之一，用于读取模块的位线选通器件采用薄氧栅和低压控制，用于编程模块的位线选通器件采用厚氧栅和高压控制。
作为本发明的优选方案之一，所述地址转换协议采用的数据存储顺序如下：首先数据沿字/位线方向存储，当字/位线方向数据都已存储完成时，在字/位线的末尾数据沿位/字线方向存储，然后再次沿字/位线方向存储。
作为本发明的优选方案之一，所述地址转换模块在相变存储器外部，由外部的控制使得前后两次编程数据处于同一字线或位线上。
作为本发明的优选方案之一，所述地址转换模块在相变存储器内部，由内部的逻辑控制电路控制使得前后两次编程数据处于同一字线或位线上；或者使得前后两次编程数据处于不同的存储块中。
作为本发明的优选方案之一，在字线和位线分别设计灵敏放大器。
本发明进一步包括以下技术方案：
一种降低相变存储器编程功耗的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，将预读的待编程数据与存储器原始存入数据进行比较：如果预读的待编程数据与存储器原始存入数据相同，则不进行编程操作；如果预读的待编程数据与存储器原始存入数据不同，则进行编程操作；
步骤二，在执行本次编程操作的同时，对下一位或多位待编程地址位进行预读；
步骤三，将所得的结果保存在临时存储载体中，以供下一位或多位编程时调用；
步骤四，在进行本次编程操作之前，调用上一次编程操作期间预读的数据，与本次要编程的数据进行比较，利用比较模块判断相同的不进行编程，否则要被编程。
作为本发明的优选方案之一，所述的地址转换协议可以是在存储器外部完成地址转换运算，也可以是在存储器内部完成地址转换运算。
本发明提供一种降低相变存储器编程功耗的系统及方法，该系统及方法能够降低存储芯片50％的功耗，提高了存储单元的存储寿命，同时擦、写时间比读的时间要长，因此该发明也可提高芯片的存储速度。本发明不仅可以解决功耗问题，同时又不引起速度，密度等方面的恶性影响。
附图说明
图1是本发明一种降低相变存储器编程功耗的系统流程图；
图2是本发明一种降低相变存储器编程功耗的系统原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：
本发明涉及一种降低相变存储器编程功耗的方法。该方法称为平行预读编程方法。在进行当前编程操作的同时，预读下一位或多位待编程的地址位，将其数据与待编程数据相比较：如果待写入数据与存储器原始存入数据相同，则不进行编程操作；如果待写入数据与存储器原始存入数据不同，则进行编程操作。由于存储器的状态处于“0”与“1”两种状态，按照概率理论，待写入数据与存储器原始数据相同的概率为50％，故该方法能够降低存储芯片50％的功耗，提高了存储单元的存储寿命，同时擦、写时间比读的时间要长，因此该发明也可提高芯片的存储速度。
本发明提出使相变存储器的预读与编程同时进行。考虑到相变存储器编程时间大于相变存储器读取时间，且编程功耗也远大于读取功耗。故而在针对本地址进行编程的同时可以对下一地址或多个地址进行预读。将所得数据保存于寄存器中以供下一次编程操作调用。
本发明采用两个位线选通器件分别控制读取模式和编程模式。由于本发明的思想是相变存储器的预读与编程同时进行。如果按照常规的设计思路，由一个位线选通器件控制读取模式与编程模式，那么无法实现预读与编程同时进行的操作。所以，必须采用两个位线选通器件分别控制读取模式和编程模式。由于在大规模存储器中，占有大量面积的是存储器阵列，位线选通器件在整个版图设计中所占的面积几乎可以忽略不计。所以，增加一个位线选通器件对面积的影响可以忽略不计。
本发明中用于读取模式的选通器件采用薄氧栅和低压控制，以提高速度和降低功耗；用于编程模式的选通器件采用厚氧栅和高压控制，以增加驱动电流。针对读取模式，我们需要的是极高的速度和极地的功耗，另外需要降低读取电流以防止读破坏，采用薄氧器件和低压控制可以实现上述目的。针对编程模式，我们需要的是大量的编程电流以使材料在晶态与非晶态间转换。采用厚氧器件和高压控制可以实现上述目的。
本发明中采用地址转换协议，使得前后两次编程的地址必定出现在同一条字(位)线上。由于需要实现预读与编程同时进行的思想，那么在使一条字(位)线有效的同时，不可以使其他的字(位)线有效，否则就会引起读写串扰。所以预读与编程的存储单元必须处于同一个字(位)线的控制。通过地址转换协议，可以使得前后两次编程的地址必定出现在同一条字(位)线上。一方面，这个转换协议可以在存储器外部，由外部的控制使得存入存储器的数据呈现某种规律性，前后两次编程数据处于同一字(位)线。另一方面，也可以由存储器内部逻辑控制电路完成地址转换运算，实现上述功能。
因此，实有必要对现有的相变存储器编程系统及方法做进一步改进[0039] 本发明还可以采用地址转换协议，使得前后两次编程的地址不出现在同一个存储块中。由于需要实现预读与编程同时进行的思想，在同一个存储块进行连续两个数据的存储的话必须要满足这两个数据位于同一字(位)线这一条件。然而，如果前后两次编程的地址不在同一存储块中，那么即无需满足上述条件。采用地址转换协议，使得前后两次编程的地址不出现在同一个存储块中。一方面，这个转换协议可以在存储器外部，由外部的控制使得存入存储器的数据呈现某种规律性，前后两次编程数据处于同一字(位)线。另一方面，也可以由存储器内部逻辑控制电路完成地址转换运算，实现上述功能。
为进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步，下面通过实施例描述本发明：
请参照图1所示平行预读编程方式流程图。假定现在要对相变存储器写入一个数据为01010001。首先对如果是第一次编程操作，则先对相变存储器进行预读；如果不是第一次编程操作，则直接调用寄存器中的数据进行数据比较。假定存储器原有数据为01111010。如果写入数据与原有数据相同，则不进行读写操作，那么真正实行操作的是：对bit<0>写入“1”，对bit<1>写入“0”；对bit<3>写入“0”，对bit<5>写入“0”。在执行编程操作的同时，对下一地址或多个地址进行预读操作，假定下一地址所读数据为10001110。将该数据存入寄存器中，以供下一地址调用。这样，从统计学原理，写入与原数据相同的数据与写入与原数据不同的数据的概率是1∶1，故而能够节省50％的功耗。
请参照图2所示平行预读编程方式的设计原理示意图，包括整个存储模块100、写驱动电路110、灵敏放大器111、编程选通门112、读选通门113，存储单元114。可采用的编程顺序如图所示，呈“蛇”形。这样不管何种情况都可以使得前后连续两位的编程单元处于同一字(位)线。假定要编程(WL2，BL1)与(WL2，BL2)这两个单元。则在编写(WL2，BL1)这一单元的同时，灵敏放大器开始读取(WL2，BL2)这一单元的阻值，并将阻值存入寄存器中。表1显示了在编程(WL2，BL1)这一个单元的时候，各条字线、位线的电平。
| BL0 | BL1 | BL2 | BL3 | WL0 | WL1 | WL2 | WL3 |
| 0v | Program voltage | Read voltage | Ov | High | High | Ov | High |
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。如，采用地址转换协议，将前后两个数据写入不同的存储块中。这样即避免了在预读过程中出现读写串扰等特征均不脱离本发明精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种降低相变存储器编程功耗的系统，其包括编程模块及读取模块，其特征在于：该系统进一步包括
预读模块，用于在执行本次编程操作的同时，对下一位或多位待编程地址位进行预读；
比较模块，用于比较预读的待编程数据与存储器原有数据是否相同，如果预读的待编程数据与存储器原始存入数据相同，则不进行编程操作；如果预读的待编程数据与存储器原始存入数据不同，则进行编程操作；
临时存储载体，用于保存预读模块所得的结果，以供下一位或多位编程时调用；
地址转换模块，用于通过地址转换协议，使得前后两次编程的地址出现在同一条字线或位线上，或使得前后两次编程的地址不出现在同一个存储块中；
两个位线选通器件，用于分别控制读取模块和编程模块。
2.如权利要求1所述的一种降低相变存储器编程功耗的系统，其特征在于：所述比较模块包括比较电路。
3.如权利要求1所述的一种降低相变存储器编程功耗的的系统，其特征在于：所述临时存储载体包括寄存器、静态随机存储器、动态存储器。
4.如权利要求1至3任一项所述的一种降低相变存储器编程功耗的的系统，其特征在于：用于读取模块的位线选通器件采用薄氧栅和低压控制，用于编程模块的位线选通器件采用厚氧栅和高压控制。
5.如权利要求4所述的一种降低相变存储器编程功耗的的系统，其特征在于：所述地址转换协议采用的数据存储顺序如下：首先数据沿字/位线方向存储，当字/位线方向数据都已存储完成时，在字/位线的末尾数据沿位/字线方向存储，然后再次沿字/位线方向存储。
6.如权利要求4所述的一种降低相变存储器编程功耗的的系统，其特征在于：所述地址转换模块在相变存储器外部，由外部的控制使得前后两次编程数据处于同一字线或位线上。
7.如权利要求4所述的一种降低相变存储器编程功耗的的系统，其特征在于：所述地址转换模块在相变存储器内部，由内部的逻辑控制电路控制使得前后两次编程数据处于同一字线或位线上；或者使得前后两次编程数据处于不同的存储块中。
8.如权利要求4所述的一种降低相变存储器编程功耗的的系统，其特征在于：在字线和位线分别设计灵敏放大器。
9.一种应用权利要求4所述系统降低相变存储器编程功耗的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一，将预读的待编程数据与存储器原始存入数据进行比较：如果预读的待编程数据
与存储器原始存入数据相同，则不进行编程操作；如果预读的待编程数据与存储器原始存入数据不同，则进行编程操作；
步骤二，在执行本次编程操作的同时，对下一位或多位待编程地址位进行预读；
步骤三，将所得的结果保存在临时存储载体中，以供下一位或多位编程时调用；
步骤四，在进行本次编程操作之前，调用上一次编程操作期间预读的数据，与本次要编程的数据进行比较，利用比较模块判断相同的不进行编程，否则要被编程。
10.如权利要求9所述的一种降低相变存储器编程功耗的的方法，其特征在于：所述的地址转换协议可以是在存储器外部完成地址转换运算，也可以是在存储器内部完成地址转换运算。
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