CN102884581A - 存储器中的写入能量保存 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种将数据写入到例如自旋力矩转移磁性随机存取存储器STT-MRAM等电阻式存储器的方法。所述方法响应于第一写入信号而将所接收数据位写入到存储器单元阵列。所述方法还在所述第一写入信号产生之后从所述存储器单元阵列读取所存储数据，且接着比较所述所存储数据与所述所接收数据位来确定所述所接收数据位中的每一者是否被写入到所述存储器。响应于第二写入信号，写入被确定为在所述第一写入信号期间尚未写入的所接收数据位。

Description

存储器中的写入能量保存

技术领域

本发明大体来说涉及电子存储器。更特定来说，本发明涉及有效率地将数据写入到电阻式存储器，例如磁性随机存取存储器(MRAM)。

背景技术

为了将数据写入到任何基于电阻的存储器中，直流一般流动通过所述存储器历时一时间周期。为了节省电力，(例如关于电池供电的装置或“绿色”装置)应减少电流的量及/或电流流动的时间长度。电流必须足够强以改变基于电阻的存储器的存储器单元的状态。施加电流的时间长度控制着写入成功的概率，较长的写入操作增加成功写入操作的概率。

发明内容

写入操作的较低电力由三阶段写入操作产生。具有短写入脉冲的第一写入信号将数据写入到大多数位。接着发生读取以确定在所述第一写入信号期间是否有任何位未写入。具有较长写入脉冲的第二写入信号写入经确定为在所述第一写入脉冲期间未写入的任何位。

在一个实施例中，一种用于将数据写入到存储器的方法包括响应于第一可编程写入信号而将所接收数据写入到所述存储器的存储器单元阵列。所述方法还包括在所述第一可编程写入信号产生之后从所述存储器单元阵列读取所存储数据。所述方法进一步包括比较所述所存储数据与所述所接收数据来确定所有所述所接收数据是否被写入到所述存储器。所述方法还包括响应于第二可编程写入信号，将经确定为在所述第一可编程写入信号期间未写入的所接收数据写入到所述存储器单元阵列。

在另一实施例中，一种存储器电路包括存储器单元阵列、写入驱动器、传感器及比较器。所述写入驱动器响应于第一可编程写入脉冲而产生第一写入信号以将所接收数据写入到存储器单元阵列。所述传感器在所述第一可编程写入脉冲产生之后感测来自所述所选择单元阵列的所存储数据。所述比较器比较所述所感测数据与所述所接收数据来确定所有所述所接收数据是否被写入到所述所选择存储器单元阵列。所述写入驱动器还响应于第二可编程写入信号而产生第二写入信号，以将经确定为在所述第一写入信号期间未写入的所接收数据写入到所述所选择存储器单元阵列。

在又一实施例中，一种计算机可读媒体有形地存储用于将数据写入到电阻式存储器的指令。所述媒体包括用以产生第一可编程写入信号以将所接收数据写入到所述电阻式存储器的存储器单元阵列的指令。所述媒体还存储用以在所述第一可编程写入信号产生之后从所述存储器单元阵列读取所存储数据的指令。所述媒体还存储用以逐位地比较所述所读取数据与所述所接收数据来确定所有所述所接收数据是否被写入到所述电阻式存储器的指令。所述媒体进一步存储用以产生可编程第二写入信号以将经确定为在所述第一可编程写入信号期间未写入的所接收数据位写入到所述存储器单元阵列的指令。

在再一实施例中，一种电阻式存储器电路具有存储器单元阵列、产生装置、读取装置及比较装置。所述产生装置产生第一写入信号以将所接收数据位写入到所选择存储器单元阵列。所述读取装置在所述第一写入信号之后从所述所选择单元阵列读取所存储数据。所述比较装置比较所述所读取数据的每一位与所述所接收数据位来确定所述所接收数据位中的每一者是否被写入到所述所选择存储器单元阵列。所述产生装置还产生相比于所述第一写入信号具有更长脉冲宽度的第二写入信号以将经确定为在所述第一写入信号期间未写入的所接收数据位写入到所述所选择存储器单元阵列。

前述内容已相当广泛地概括了本发明的特征及技术优点，以便可更好地理解随后的详细描述。下文中将描述形成本发明的权利要求书的标的的额外特征及优点。所属领域的技术人员应了解，所揭示的概念及特定实施例可易于用作修改或设计用于执行本发明的相同目的的其它结构的基础。所属领域的技术人员还应认识到，这些等效构造不脱离如所附权利要求书中所阐述的本发明的技术。当结合随附图式考虑时，将从以下描述更好地理解据信为本发明所特有的新颖特征(关于其组织及操作方法两者)连同其它目标及优点。然而，应明确理解，仅为说明及描述的目的而提供所述图式中的每一者，且所述图式中的每一者并不既定作为对本发明的限制的界定。

附图说明

为了对本发明有更完整的理解，现参考结合随附图式所进行的以下描述。

图1为展示可有利地使用本发明的实施例的示范性无线通信系统的框图。

图2A到2C为展示三阶段写入操作的操作的框图。

图3为展示示范性位单元的电路图。

图4为展示示范性写入驱动及读出放大器的电路图。

图5为在低时钟频率系统中的写入的时序图。

图6为在高时钟频率系统中的写入的时序图。

具体实施方式

本发明涉及在将数据写入到存储器(例如，电阻式存储器)时减少电力消耗。尽管以下描述涉及电阻式存储器，但教示还适用于直流在一操作模式中流动的其它形式的存储器。示范性类型的电阻式存储器包括磁性随机存取存储器(MRAM)、相变(PC)存储器及固体电解质存储器。这些类型的存储器具有广泛多种用途，包括并入到无线通信系统及装置中…等等。

图1为说明可有利地使用此存储器的示范性无线通信系统100的框图。为说明的目的，图1展示三个远程单元120、130及150与两个基站140。应认识到，无线通信系统可具有更多的远程单元及基站。远程单元120、130及150分别包括改进的电阻式存储器125A、125B及125C，电阻式存储器125A、125B及125C为如下文中进一步论述的实施例。图1展示从基站140及远程单元120、130及150的前向链路信号180，与从远程单元120、130及150到基站140的反向链路信号190。

在图1中，将远程单元120展示为移动电话，将远程单元130展示为便携式计算机，且将远程单元150展示为无线本地回路系统中的计算机。尽管图1中所描绘的实例实施例根据本发明的教示说明远程单元，但本发明并不限于这些示范性所说明单元。举例来说，远程单元可为手机、手持型个人通信系统(PCS)单元、例如个人数据助理等便携式数据单元，或例如仪表读取设备等固定位置数据单元。可将本发明合适地用于包括改进的电阻式存储器的任何装置中。

改进的电阻式存储器有效率地执行写入操作。当启用写入脉冲时，在所述写入脉冲的持续时间内，消耗直流(DC)电力。通过仅针对需要被写入的那些位开放写入线，可节省电力。

现参看图2A到2C，展示说明针对基于电阻的存储器的示范性电力节省写入操作的框图的进展。基于电阻的存储器20包括多个存储器单元阵列200，为了解释的清晰起见仅描绘存储器单元阵列200中的一者。

尽管图2A到2C的框图根据本教示的一个实施例呈现写入程序的高级进展，但关于存储器单元阵列200的电路配置的一些细节对于解释写入过程的目的将为有益的。图3为更详细地说明存储器单元阵列200的示范性位单元的电路图。在此实例中，电阻式位单元为自旋力矩转移(STT)MRAM单元30。STT MRAM单元30包括耦合到磁性隧道结(MTJ)32的位线bl。在此图式中，将MTJ 32表示为电阻器。通过门34耦合于MTJ 32与源极线sl之间。通过门34由字线wl控制。在所描绘的实施例中，通过门34为N沟道MOSFET(NMOS)。通过断言字线wl来开放通过门34，将位线bl接地且将源极线sl连接到电源，将1写入到MTJ 32并由此写入到位单元。当由字线wl开放通过门34时，将源极线sl接地且将位线bl连接到电源会将0写入到MTJ 32。

返回到图2A，在写入到存储器单元阵列200中之前，将写入输入数据220预加载到写入驱动器210中。一旦接收到地址信息且发出写入命令，则写入驱动器210将数据写入到经寻址的存储器单元阵列200中。在此写入期间，位单元中的每一者消耗电流。然而，在一个实施例中，写入是使用低能量写入脉冲来执行，由此减少总电流消耗。可经由缩短的脉冲或通过具有减小的电流的脉冲来实施低能量写入脉冲。

如图2A中所展示，在低能量写入之后在单元阵列200中的所存储数据包括未经恰当写入的位单元(即，从左边起的第二个位保持为0，但其应为1)。现参看图2B，系统辨识出所述位单元中的不恰当数据。读取是通过读取读出放大器及比较器230而发生。一旦从单元阵列200读取数据，则读取读出放大器及比较器230逐位地比较读取数据与写入输入数据220。作为比较的结果，认识到，从左边位单元起的第二个位单元包括不恰当值。应注意，在此系统中读取电力显著低于写入电力，且由此读取并不显著影响总电力消耗。

现参看图2C，描述第二写入。为了节省电力，在第二写入中仅写入经确定为含有不正确数据的位单元。在一个实施例中，针对第二写入停用含有正确位信息的多个列。因此，系统对源极线sl及位线bl施加零电流。当启用字线wl时，不对经正确写入的单元进行写入，这是因为所述经正确写入的单元从位线bl到源极线sl未看见电位。然而，通过适当地设定源极线sl及位线bl而对不正确写入的位单元进行重写入。在一个实施例中，第二写入具有较高能量写入脉冲以确保此次写入所述位单元。可使用较长的写入脉冲或具有较高电流的脉冲来实施较高能量写入脉冲。如图2C中所见，此次将从左边位单元起的第二位单元写入为0。

现参看图4，展示说明示范性写入驱动器及读出放大器电路的电路图。在此实例中，源极线sl处于高且位线bl接地会写入1。读出放大器/比较器230(图2A到2C)接收来自参考线ref的参考数据及来自位线bl的数据。参考数据为特定位单元的写入输入数据220(图2A到2C)。来自位线bl的数据为存储于单元阵列200(图2A到2C)的所述位单元中的数据。如果读出放大器/比较器230(图2A到2C)确定位线数据与参考数据相同，则不需要对正从其读取的位单元进行重写入。即，在第一低能量写入期间数据被正确地写入。因此，读出放大器/比较器230(图2A到2C)将0输出到NAND(与非)门42、43。因此，反相器44、45接收1且将0输出到位线bl及源极线sl。即使写入启用控制线WREN将1传递到NAND门42、43以启用写入，读出放大器/比较器230(图2A到2C)也通过控制NAND门42、43而超驰写入命令。即，读出放大器/比较器230(图2A到2C)辨识出数据被正确写入，因此即使写入启用命令指示较高能量写入，读出放大器/比较器230也防止较高能量写入，这是因为已确定不需要对所述位单元进行写入。

在读出放大器/比较器230(图2A到2C)未确定位线数据与参考数据相同的状况下，读出放大器/比较器230将1输出到NAND门42、43。基于写入启用信号及写入驱动器信号，较高能量写入操作接着正常地进行。

举例来说，当写入启用线WREN上的写入启用信号为1时，写入驱动器线WD上的写入驱动器信号及写入驱动器条线bWD上的写入驱动器条信号控制施加到位线bl及源极线sl的电流。如果写入驱动器信号为高(写入驱动器条信号为低)，则源极线sl连接到电源且位线bl接地，从而导致1写入到位单元。如果写入驱动器信号为低(写入驱动器条信号为高)，则源极线sl接地且位线bl连接到电源，从而导致0写入到位单元。如果写入启用信号为0，那么将不会发生写入，其中位线BL及源极线SL两者接地。

前面的描述是参考只要从单元阵列读出位便比较数据路径自身中的数据的电路。可易于在局部数据路径中获得比较的两个操作数。此局部比较使用较少动态电力，这是因为将切换较小的电容。在另一实施例中，为了比较而将读取数据引出存储器。

在一些实施例中，第一低能量写入为任选的。即，首先发生读取来确定每一位单元当前存储何内容，且接着针对需要更新的位单元发生较高能量写入。在其它实施例中，仅发生第二个较高能量写入。即，不发生读取，而仅发生单一可靠写入。可基于系统的时钟频率及所要的电力优化来确定前两个阶段是否为任选的。举例来说，如果某一技术一般需要40ns来可靠地写入数据，则添加第一个10ns写入脉冲将存在极少益处。因此，在此状况下，将不会出现第一脉冲。另一方面，如果所述技术导致以较短的脉冲写入大多数位单元的高概率，则认为第一写入为有益的且将被包括在内。

在一些实施例中，所述三个阶段出现于单一时钟循环中。在其它实施例中，不同阶段出现于不同循环中。

图5为展示低时钟频率系统中的操作的时序图。写入命令出现于第一时钟循环的上升沿50处。响应于所述写入命令，启用字线wl且断言内部写入信号write_int。内部写入信号write_int触发用于第一写入的短写入脉冲。在第一写入之后，内部读取信号read_int触发读取操作。比较(未图示)也在此时发生。在所述读取及比较之后，另一内部写入信号write_int触发长写入。长写入的完成触发字线wl的撤销断言。注意，所有事件发生于单一时钟循环内。在下一时钟循环的上升沿52处，另一写入命令发出且相同事件跟着发生。

尽管图5展示字线wl在所述读取及比较期间保持为启用的，但其它实施例在所述读取及比较期间撤销断言字线wl且在所述读取及比较之后再断言字线wl。

图6为展示高时钟频率系统中的操作的时序图。在此状况下，归因于高频率，所有事件不可发生于单一时钟循环中。因此，在读取与第二写入的持续时间内发出不操作信号NOP。

通过最初以短脉冲写入，系统试图对易于写入的所有单元进行写入。由于过程变化等等，一些单元相比于其它单元更易于写入。第一写入试图以短脉冲涵盖所有弱单元。所花费的能量得以减少，这是因为时间长度减少。因此，在第一写入的情况下，以比正常长度脉冲少的能量捕获大多数位单元。接着发生读取，并比较所存储数据与写入输入数据。消耗更多能量的第二读取仅针对在第一写入期间未恰当写入的位单元而发生。

尽管前述揭示内容涉及节省电力，但除了减少的电力外或替代于减少的电力，可实现改善的可靠性。举例来说，两种写入可为相同的长度，其中第二写入是用于确保可靠地写入数据的目的。

尽管已阐述特定电路，但所属领域的技术人员应了解，并不需要所有所揭示电路来实践本发明。此外，为了将焦点维持于本发明，未描述某些众所周知的电路。类似地，尽管描述在某些位置提及逻辑“0”及逻辑“1”，但所属领域的技术人员了解可切换逻辑值，其中相应地调整电路的剩余部分而不影响本发明的操作。

尽管已详细描述本发明及其优点，但应理解，在不脱离如由所附权利要求书所界定的本发明的技术的情况下，可在本文中作出各种改变、取代及变更。此外，本申请案的范围并不既定限于本说明书中所描述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法及步骤的特定实施例。如一般所属领域的技术人员将易于从本发明了解，可根据本发明利用当前存在或日后待开发的执行与本文中所描述的对应实施例实质上相同的功能或实现实质上相同的结果的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求书既定将这些过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包括于其范围内。

取决于本申请案，可通过各种组件实施本文中所描述的方法。举例来说，这些方法可以硬件、固件、软件或其任何组合实施。对于硬件实施方案，可在一个或一个以上专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理装置(DSPD)、可编程逻辑装置(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、电子装置、经设计以执行本文中所描述的功能的其它电子单元或其组合内实施处理单元。对于固件及/或软件实施方案，可通过执行本文中所描述的功能的模块(例如，过程、函数等等)来实施所述方法。在实施本文中所描述的方法时，可使用有形地体现指令的任何机器可读媒体。举例来说，软件代码可存储于存储器中并由处理器单元执行。可在处理器单元内或处理器单元外部实施存储器。如本文中所使用，术语“存储器”指代任何类型的长期存储器、短期存储器、易失性存储器、非易失性存储器或其它存储器，且术语“存储器”限于任何特定存储器类型或存储器数目，或存储器存储于其上的媒体类型。

如果以固件及/或软件来实施，则功能可作为一个或一个以上指令或代码而存储于计算机可读媒体上。实例包括以数据结构编码的计算机可读媒体及以计算机程序编码的计算机可读媒体。计算机可读媒体包括物理计算机存储媒体。存储媒体可为可由计算机存取的任何可用媒体。作为实例且非限制，这些计算机可读媒体可包含RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置，或可用以存储呈指令或数据结构形式的所要程序代码且可由计算机存取的任何其它媒体。如本文中所使用，磁盘及光盘包括压缩光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(DVD)、软性磁盘及蓝光光盘，其中磁盘通常以磁性方式再生数据，而光盘通过激光以光学方式再生数据。上述内容的组合也应包括于计算机可读媒体的范围内。

除了存储于计算机可读媒体上外，指令及/或数据还可作为信号提供于包括于通信设备内的传输媒体上。举例来说，通信设备可包括具有指示指令及数据的信号的收发器。所述指令及数据经配置以使一个或一个以上处理器实施权利要求书中所概括的功能。

Claims (22)

1.一种用于将数据写入到存储器的方法，其包含：

响应于第一可编程写入信号而将所接收数据写入到所述存储器的存储器单元阵列；

在所述第一可编程写入信号产生之后从所述存储器单元阵列读取所存储数据；

比较所述所存储数据与所述所接收数据来确定所有所述所接收数据是否被写入到所述存储器；及

响应于第二可编程写入信号，将被确定为在所述第一可编程写入信号期间尚未写入的所接收数据写入到所述存储器单元阵列。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述存储器为电阻式存储器。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一可编程写入信号相比于所述第二可编程写入信号具有较短的持续时间。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一可编程写入信号相比于所述第二可编程写入信号具有较长的持续时间或相等的持续时间。

5.根据权利要求3所述的方法，其进一步包含产生所述第一可编程写入信号且在同一时钟循环中产生所述第二可编程写入信号。

6.根据权利要求2所述的方法，其中将被确定为在所述第一可编程写入信号期间尚未写入的所接收数据写入到所述存储器单元阵列包含将对应于被确定为在所述第一可编程写入信号期间尚未写入的每一存储器单元的源极线及位线接地。

7.根据权利要求2所述的方法，其中所述比较局部地发生。

8.一种存储器电路，其包含：

多个存储器单元阵列；

写入驱动器，其响应于第一可编程写入信号而产生第一写入信号以将所接收数据写入到至少一个存储器单元阵列；

传感器，其响应于所述第一写入信号而感测来自所述存储器单元阵列的所存储数据；及

比较器，其比较所述所存储数据与所述所接收数据来确定所述所接收数据是否被写入到所述存储器单元阵列，所述写入驱动器响应于第二可编程写入信号而产生第二写入信号以将被确定为在所述第一写入信号期间尚未写入的数据写入到所述存储器单元阵列。

9.根据权利要求8所述的存储器电路，其中所述第一可编程写入信号比所述第二可编程写入信号的持续时间短。

10.根据权利要求9所述的存储器电路，其中每一存储器单元包含磁性隧道结。

11.根据权利要求10所述的存储器电路，其中每一存储器单元进一步包含耦合到所述磁性隧道结的位线及选择性地耦合到所述磁性隧道结的源极线。

12.根据权利要求9所述的存储器电路，其集成到至少一个半导体裸片中。

13.根据权利要求9所述的存储器电路，其进一步包含选自由下列各物组成的群组的装置：机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航装置、通信装置、个人数字助理PDA、固定位置数据单元及计算机，所述电阻式存储器电路集成到所述装置中。

14.一种计算机可读媒体，其有形地存储用于将数据写入到电阻式存储器的指令，所述计算机可读媒体包含：

用以产生可编程第一写入信号以将所接收数据写入到所述电阻式存储器的存储器单元阵列的指令；

用以在所述第一可编程写入信号产生之后从所述存储器单元阵列读取所存储数据的指令；

用以逐位地比较所述所读取数据与所述所接收数据来确定所述所接收数据中的每一者是否被写入到所述电阻式存储器的指令；及

用以产生可编程第二写入信号以将被确定为在所述第一可编程写入信号期间尚未写入的所接收数据写入到所述存储器单元阵列的指令。

15.根据权利要求14所述的媒体，其中所述第一可编程写入信号比所述第二可编程写入信号的持续时间短。

16.根据权利要求15所述的媒体，其进一步包含用以产生所述第一可编程写入信号且在不同的时钟循环中产生所述第二可编程写入信号的指令。

17.根据权利要求15所述的媒体，其进一步包含用以将对应于被确定为在所述第一写入脉冲期间尚未写入的每一存储器单元的源极线及位线接地的指令。

18.根据权利要求15所述的媒体，其集成到选自由下列各物组成的群组的装置中：机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航装置、通信装置、个人数字助理PDA、固定位置数据单元及计算机。

19.一种用于将数据写入到存储器的方法，其包含以下步骤：

产生可编程第一写入信号以将所接收数据写入到所述存储器的存储器单元阵列；

在所述第一可编程写入信号产生之后从所述存储器单元阵列读取所存储数据；

比较所述所读取数据与所述所接收数据来确定所有所述所接收数据是否被写入到所述存储器；及

产生可编程第二写入信号以将被确定为在所述第一可编程写入信号期间尚未写入的所接收数据写入到所述存储器单元阵列，所述第一可编程写入信号比所述第二可编程写入信号的持续时间短。

20.根据权利要求19所述的方法，其进一步包含将所述产生步骤、所述读取步骤及所述比较步骤集成到选自由下列各物组成的群组的装置中的步骤：机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航装置、通信装置、个人数字助理PDA、固定位置数据单元及计算机。

21.一种电阻式存储器电路，其包含：

多个存储器单元阵列；

用于产生第一写入信号以将所接收数据位写入到所选择存储器单元阵列的装置；

用于在所述第一写入信号之后从所述所选择单元阵列读取所存储数据的装置；及

用于比较所述所读取数据的每一位与所述所接收数据位来确定所述所接收数据位中的每一者是否被写入到所述所选择存储器单元阵列的装置，所述产生装置产生相比于所述第一写入信号具有更长脉冲宽度的第二写入信号来将被确定为在所述第一写入信号期间尚未写入的所接收数据位写入到所述所选择存储器单元阵列。

22.根据权利要求21所述的电阻式存储器电路，其集成到至少一个自旋力矩转移STT磁性随机存取存储器MRAM半导体裸片中。

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