CN107908878B - 一种模拟相变存储计算单元的电路模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟相变存储计算单元的电路模型，属于微电子技术领域。本发明电路模型的主要器件为电容器，用于模拟相变存储计算单元在接收到操作脉冲后的电阻变化；相变存储计算单元电阻漂移电路模型主要器件包括：相变电容，用于与双向操作特性模拟电路中的相变电容一致；储能电容和漂移电容，用于模拟相变存储计算单元在非晶态下的电阻漂移，储能电容能接收RESET和SET脉冲，漂移电容仅接收SET脉冲。储能电容和漂移电容共同工作以模拟相变存储器的阻值漂移。本发明所公开的电路模型通过参数拟合，提供了一种对于相变存储计算单元工作状态的简单有效的模拟方法，对于研究相变存储计算单元的特性具有极大参考价值。

Description

一种模拟相变存储计算单元的电路模型

技术领域

本发明属于微电子技术领域，更具体地，涉及一种模拟相变存储计算单元的电路模型。

背景技术

相变存储器(PCM)是目前发展最快的一种新型非易失性存储器，它是利用相变材料在晶态和非晶态时表现出极大电阻差异这一特征来存储信息的。在现有的存储技术中，相变存储器由于具有高速读取、高可擦写次数、抗辐射、非易失性、元件尺寸小、可实现多级存储以及与CMOS工艺几乎完全兼容的优点，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称为未来存储器主流产品之一，也是最先可能商业化的下一代存储器。

相变存储器技术的基础就是晶态和非晶态的转变，而相变的发生需要满足熔点和结晶的温度要求。目前控制相变材料温度的手段主要是通过施加脉冲来控制温度，通过调制脉冲来精确地控制材料温度。RESET和SET脉冲分别控制相变存储计算单元的非晶化和晶化，RESET脉冲为高电平脉冲，使相变存储计算单元快速熔化；SET脉冲为低电平脉冲，使相变存储单元结晶。

相变存储器与传统的非易失存储器结构相比，具有更长的耐久性、更快的写入速度，且具有成本低和尺寸精简的优越性，良好地弥补了传统存储器功耗大、集成度低、成本高和读写速度慢的缺陷。传统冯诺曼结构的计算器与存储器分离，而更高速有效的计算方式需要计算存储一体化的结构。因此，通过双向剪裁和相变材料非晶化率线性连续变化精确控制的技术，实现双向数值运算的计算存储一体化结构是今后研究的方向。

但是，在相变存储器的应用中，存在电阻漂移现象。电阻漂移会导致相变存储单元转变为非晶态后会有持续的电阻增大，将会严重影响对相变存储单元存储状态的识别，并且会对逻辑计算造成阻碍。结构松弛(SR)所导致的能带扩大被认为是最可能造成电阻漂移的原因之一。由于电阻漂移的影响巨大，因此在做多值存储和逻辑计算前考虑好电阻漂移的影响就显得极为必要。

目前采用计算电阻漂移功率公式的方法评估相变存储器电阻漂移的影响，但是该方法无法在集成电路仿真中进行实时地模拟，因此提出一种便于仿真的漂移模型是有必要的。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种模拟相变存储计算单元的电路模型，其目的在于通过各种最简电路元件来模拟相变存储计算单元的各类特性，由此解决集成电路仿真中的相变存储计算单元模拟的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种模拟相变存储计算单元的电路模型，其特征在于，所述电路模型包括第一模拟电路，所述第一模拟电路用于模拟非晶相相变存储计算单元的电阻漂移特性；

所述第一模拟电路包括：脉冲输入端1、脉冲输出端1、开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2和电容C3；

所述第一模拟电路中，脉冲输入端1连接开关S1的一端，开关S1的另一端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接电容C1的一端和开关S2的一端，电容C1的另一端连接脉冲输出端，开关S2另一端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端、电容C2的一端、开关S3的一端和开关S4的一端相连接，电容C2的另一端连接脉冲输出端，开关S3的另一端连接电阻R3的一端，开关S4的另一端连接电阻R4的一端，电阻R3的另一端、电阻R4的另一端和电容C3的一端相连接，电容C3的另一端连接脉冲输出端1。

进一步地，所述电路模型还包括第二模拟电路，所述第二模拟电路用于模拟相变存储计算单元在双向脉冲操作下的特性；

所述第二模拟电路包括：脉冲输入端2、脉冲输出端2、脉冲输入端3、脉冲输出端3、开关S5、开关S6、开关S7、电阻R5、电阻R6、电容C5和电容C6；

所述双向脉冲模拟电路中，脉冲输入端2接开关S5一端，开关S5另一端连接电阻R5一端，电阻R5另一端、开关S6一端和电容C5一端相连，电容C5另一端连接脉冲输出端2，开关S6的另一端、电容C6的一端和电阻R6的一端相连，电容C6的另一端、脉冲输出端2和脉冲输出端3相连，电阻R6的另一端连接开关S7的一端，开关S7的另一端连接脉冲输入端3。

进一步地，所述第一模拟电路模拟RESET操作时，开关S1，S2闭合，开关S3，S4断开，脉冲输入端1和脉冲输出端1之间施加RESET脉冲；当RESET脉冲结束，开关S1，S2，S4断开，S3闭合；模拟SET操作时，开关S1，S2，S4闭合，开关S3断开，脉冲输入端1和脉冲输出端1之间施加SET脉冲；SET脉冲结束后，开关S1，S2，S4断开，S3闭合。

进一步地，所述第一模拟电路中以电容C1和电容C3所带的电量之和来模拟相变存储计算单元的阻值。

进一步地，所述第二模拟电路进行多值储存或数值运算操作时，开关S6断开，开关S5和S7闭合，RESET脉冲和SET脉冲交替施加于脉冲输入端2脉冲输出端2之间和脉冲输入端3脉冲输出端3之间，且RESET和SET为反向脉冲；脉冲结束后，开关S5和S7断开，开关S6闭合。

进一步地，所述第二模拟电路模拟多值储存时，脉冲输入端2脉冲输出端2之间和脉冲输入端3脉冲输出端3之间施加RESET脉冲的数量和等于当前模拟多值存储的值。

进一步地，所述第二模拟电路模拟数值运算时，脉冲输入端2脉冲输出端2之间和脉冲输入端3脉冲输出端3之间施加RESET脉冲为加运算，施加SET脉冲为减运算。

进一步地，所述第二模拟电路中以电容C5和电容C6所带的电量之和来模拟相变存储计算单元的阻值。

进一步地，所述RESET操作为高电平脉冲，在模拟电路中表现为对电容的充电操作；所述SET操作为低电平脉冲，在模拟电路中表现为对电容的放电操作；高电平脉冲持续时长小于低电平脉冲。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术特征及有益效果：

(1)本发明提供的一种相变存储计算单元非晶相电阻漂移模拟电路为实际应用中分析电阻漂移问题提供一种简单有效的参考方法；

(2)本发明提供的一种相变存储计算单元双向脉冲操作模拟电路为实际应用中设计相变存储器的运算提供一种简单有效的参考模型。

附图说明

图1是相变存储计算单元单元的结构示意图；

图2是电阻漂移模拟电路；

图3为非晶态电阻漂移的模拟结果；

图4为晶态时的电阻漂移模拟结果；

图5是双向脉冲模拟电路；

图6为用双向脉冲操作相变存储计算单元进行多值存储的模拟结果；

图7为用双向脉冲操作相变存储计算单元进行数值运算的模拟结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为相变存储器计算单元的基本结构，其中1为上电极，2为绝缘层，3为相变材料，4为下电极，5为衬底。本发明主要是对相变存储计算单元特性进行模拟，基本结构这里不赘述。

图2为电阻漂移模拟电路，C1为相变电容，C2为储能电容，C3为漂移电容。具体模拟步骤如下：

当相变存储计算单元进行RESET操作时，开关S1，S2闭合，开关S3，S4断开，脉冲输入输出端口处施加RESET脉冲，此时相变电容C1和储能电容C2被充电，通过调节R1，R2的值可以让充电过程在RESET脉冲过程中都近似线性，当RESET脉冲结束，开关S1，S2，S4断开，S3闭合，此时储能电容C2给漂移电容C3充电，调节R3的值能对漂移电容的充电时间进行调节，以此来拟合电阻漂移的实验数据。在模型中，以相变电容C1和漂移电容C3所带电量之和来模拟相变存储计算单元的阻值，RESET脉冲后非晶态的电阻漂移模拟结果如图3所示，该图仅为特定参数下用作说明的结果，本模型能通过调节元件参数对电阻漂移进行精确的模拟。

当相变存储计算单元进行SET操作时，开关S1，S2，S4闭合，开关S3断开，脉冲输入输出端口处施加SET脉冲，本模型中SET脉冲峰值定义为远小于RESET脉冲，相变电容C1，储能电容C2和漂移电容C3都被放电，同样的，调节R1，R2，R4的值可以让放电过程近似线性。SET脉冲结束后，开关S1，S2，S4断开，S3闭合，此时储能电容和漂移电容两端电压相同，不进行充放电。SET脉冲后晶态的电阻漂移模拟如图4所示，对应于物理实验中所测得的晶态电阻漂移可以忽略不计，相变电容和漂移电容的电量和保持为接近0。

图5是双向脉冲模拟电路，C5、C6都是相变电容，模拟的相变电阻器阻值为C5、C6电量之和。本模拟电路中，通过调节R5，R6能使电容充放电都近似线性，具体模拟步骤如下：

进行脉冲操作时，开关S6都处于断开状态，开关S5、S7闭合，RESET和SET为反向脉冲，且RESET脉冲和SET脉冲交替施加于脉冲输入输出端2和脉冲输入输出端3之间，即施加SET脉冲前一个RESET脉冲在脉冲输入输出端2，则该SET脉冲施加于脉冲输入输出端3。操作完成后的相变存储计算单元读取电阻状态，电路模型中的开关S5，S7断开，S6闭合。此时电容之间会有充放电过程，进而，平衡后的电量可以很容易地读取。进行多值存储模拟时，作为说明，此处举出实例模拟8值存储，脉冲输入输出端2、脉冲输入输出端3之间各施加四个RESET脉冲，得到的结果如图6所示。进行相变存储计算单元双向操作运算的模拟，作为说明，此处以算数运算3-2为例，在脉冲输入输出端2施加3个RESET脉冲，在脉冲输入输出端3施加2个SET脉冲，得到结果如图7所示。

以上内容本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种模拟相变存储计算单元的电路模型，其特征在于，所述电路模型包括第一模拟电路，所述第一模拟电路用于模拟非晶相相变存储计算单元的电阻漂移特性；

所述第一模拟电路包括：脉冲输入端1、脉冲输出端1、开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2和电容C3；

所述第一模拟电路中，脉冲输入端1连接开关S1的一端，开关S1的另一端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接电容C1的一端和开关S2的一端，电容C1的另一端连接脉冲输出端，开关S2另一端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端、电容C2的一端、开关S3的一端和开关S4的一端相连接，电容C2的另一端连接脉冲输出端，开关S3的另一端连接电阻R3的一端，开关S4的另一端连接电阻R4的一端，电阻R3的另一端、电阻R4的另一端和电容C3的一端相连接，电容C3的另一端连接脉冲输出端1；

所述电路模型还包括第二模拟电路，所述第二模拟电路用于模拟相变存储计算单元在双向脉冲操作下的特性；

所述第二模拟电路包括：脉冲输入端2、脉冲输出端2、脉冲输入端3、脉冲输出端3、开关S5、开关S6、开关S7、电阻R5、电阻R6、电容C5和电容C6；

所述双向脉冲模拟电路中，脉冲输入端2接开关S5一端，开关S5另一端连接电阻R5一端，电阻R5另一端、开关S6一端和电容C5一端相连，电容C5另一端连接脉冲输出端2，开关S6的另一端、电容C6的一端和电阻R6的一端相连，电容C6的另一端、脉冲输出端2和脉冲输出端3相连，电阻R6的另一端连接开关S7的一端，开关S7的另一端连接脉冲输入端3。

2.根据权利要求1所述的一种模拟相变存储计算单元的电路模型，其特征在于，所述第一模拟电路模拟RESET操作时，开关S1，S2闭合，开关S3，S4断开，脉冲输入端1和脉冲输出端1之间施加RESET脉冲；当RESET脉冲结束，开关S1，S2，S4断开，S3闭合；模拟SET操作时，开关S1，S2，S4闭合，开关S3断开，脉冲输入端1和脉冲输出端1之间施加SET脉冲；SET脉冲结束后，开关S1，S2，S4断开，S3闭合。

3.根据权利要求2所述的一种模拟相变存储计算单元的电路模型，其特征在于，所述第一模拟电路中以电容C1和电容C3所带的电量之和来模拟相变存储计算单元的阻值。

4.根据权利要求1所述的一种模拟相变存储计算单元的电路模型，其特征在于，所述第二模拟电路进行多值储存或数值运算操作时，开关S6断开，开关S5和S7闭合，RESET脉冲和SET脉冲交替施加于脉冲输入端2脉冲输出端2之间和脉冲输入端3脉冲输出端3之间，且RESET和SET为反向脉冲；脉冲结束后，开关S5和S7断开，开关S6闭合。

5.根据权利要求1或4所述的一种模拟相变存储计算单元的电路模型，其特征在于，所述第二模拟电路模拟多值储存时，脉冲输入端2脉冲输出端2之间和脉冲输入端3脉冲输出端3之间施加RESET脉冲的数量和等于当前模拟多值存储的值。

6.根据权利要求1或4所述的一种模拟相变存储计算单元的电路模型，其特征在于，所述第二模拟电路模拟数值运算时，脉冲输入端2脉冲输出端2之间和脉冲输入端3脉冲输出端3之间施加RESET脉冲为加运算，施加SET脉冲为减运算。

7.根据权利要求1所述的一种模拟相变存储计算单元的电路模型，其特征在于，所述第二模拟电路中以电容C5和电容C6所带的电量之和来模拟相变存储计算单元的阻值。

8.根据权利要求2或4所述的一种模拟相变存储计算单元的电路模型，其特征在于，所述RESET操作为高电平脉冲，在模拟电路中表现为对电容的充电操作；所述SET操作为低电平脉冲，在模拟电路中表现为对电容的放电操作；高电平脉冲持续时长小于低电平脉冲。

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