基于新型非易失存储的存储结构

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1、专题第 10 卷第 4 期2014 年 4 月基于新型非易失存储的存储结构孙广宇王鹏张超关键词：新型存储存储结构高能效高可靠性北京大学新型存储器件为存储accessmemory，动态随机存取存DRAM更高的可扩展性，却存在储器）工艺静态功耗较高的问题写次数有限、读写性能不对称等结构带来契机和挑战严重阻碍了存储层次的发展。(3)问题。如何有效地使用新型存储计算机系统的性能依赖于传统的SRAM/DRAM工艺对粒器件进行存储结构设计，需要解两种能力：微体系结构处理数据子和射线撞击产生的软错误问题决的问题包括：(1)如何在各个的计算能力和整个存

2、储层次将数没有抵抗能力，与之相关的纠错存储层次选择合适的新型存储器据输送给处理器的能力。受制电路进一步限制了存储容量的增件？(2)如何改进当前的存储结造工艺的影响，微体系结构与存加并引起了更多的功耗。构来适应新型存储器件？(3)能储层次之间一直存在着差距。近新型存储器件包括：自旋矩否结合不同存储器件的特性，实年来，随着处理器的多核、多线传输磁存储器(spin-torquetrans-现扬长避短？程技术的广泛使用，大幅度提升ferRAM,STT-RAM)、相变存储的计算能力和增长相对缓慢的存器(phase-changememory,PCM

3、)新型非易失存储器储系统性能使得这一差距变得更和电阻式存储器(resistiverandom大了。因此，存储结构对计算机accessmemory,RRAM)等。它们自旋矩传输磁存储器利系统整体性能的制约（即“存储具备一个共同特点：非易失性，用磁隧穿结(magnetictunneljunc-墙”问题）也越来越大，主要表也被统称为新型非易失存储器tion,MTJ)存储数据。在磁隧穿现在三个方面：(1)单个芯片上（nonvolatilememory,NVM）。与结中，隧穿绝缘体薄层置于两层集成处理单元（核）的数目不断传统的SRAM/DRAM工

4、艺相比，强磁性介质中。自旋矩传输磁存增长，需要将更多的数据及时输它们具有高存储密度、低静态功储器通过自旋转移力矩对两层强送到片上来匹配处理器的计算能耗、对粒子及射线撞击产生的软磁性介质的磁场方向的改变，使力，对片上存储的容量需求也相错误具有抵抗能力的优点。然而得磁隧穿结表现出不同的阻值状应增加。但是，传统的静态随机新型非易失存储器也存在读写性态来进行数据存储。它具有访问存取存储器(staticrandomaccess能不对称、寿命有限、可靠性不速度快、优秀的耐久性、静态memory,SRAM)工艺的存储密度高等问题，例如，自旋矩传输磁功

5、耗低的优点，同时也表现出限制了片上存储容量的增长。(2)存储器虽然能提供比传统SRAM良好的工艺可扩展性。Everspin,功耗问题已经成为计算机系统的更高的集成度和极低的静态能Grandis和日本电气(NEC)等公重要考虑因素之一，而传统的耗，却存在写延迟较高的问题；司已经成功展示了自旋矩传输磁SRAM/DRAM（dynamicrandom相变存储器虽然能提供比传统存储器的商业化产品。18第 10 卷第4 期2014 年 4 月相变存储器基于硫属化展示了高达64GB存储容量的电了新的问题，比如相变存储器的物材料的存储器工艺。它利用硫阻

6、式存储器芯片原型。最近，惠寿命和安全性隐患。属化物材料在“无定形相（高阻普实验室和海力士半导体公司基于自旋矩传输磁存储基于新型非易失存储的存储结构态）”和“结晶相（低阻态）”两(Hynix)正致力于合作开发基于器的片上缓存结构顶电极位线硫属化物(GST)顶层金属电极缓存作为片上存储对访问速磁隧穿结自由层氧空穴(MTJ)加热器度有较高的要求，传统存储层次固定层掺杂墙字线晶体管底电极二氧化钛中通常采用SRAM工艺制造缓+N底层源线存。与SRAM相比，自旋矩传输衬底金属电极自旋矩传输磁存储器(STT-RAM)相变存储器(PCM)电阻式存储器(

7、RRAM)磁存储器具备相近的读取速度，但存储密度是SRAM的4倍左图1新型存储器件右。表1对基于SRAM和自旋种状态间阻值的变化进行数据存忆阻器和横梁结构的电阻式存储矩传输磁存储器的二级缓存的各[1]储。相变存储器具备与DRAM器芯片。项参数进行了定量对比。从中媲美的存储密度、互补金属氧化可以看出自旋矩传输磁存储器具物半导体(complementarymetal-基于新型非易失存储备替换SRAM的潜力。oxide-semiconductortransistor,最近几年，许多研究者提出器的高能效、高可靠CMOS)兼容性、访问速度快、在系

8、统的各级缓存中使用自旋矩性存储结构[2~4]耐久性较好等优点。相变材料在传输磁存储器来替换SRAM。当今CMOS生产工艺下表现出虽然新型非易失存储器的存这些研究包括：(1)因受益于自优秀的工艺可扩展性，这意