[发明专利]内存设备及基于多层RRAM交叉阵列的数据处理方法

说明书

本发明实施例提供一种内存设备，该内存设备包括用于进行逻辑运算的RRAM交叉阵列，且该RRAM交叉阵列中的电阻的阻值均设置为R_on或R_off，以表示布尔值1或0。在以上设置的基础上，通过RRAM交叉阵列实现布尔运算，能够提高RRAM交叉阵列逻辑运算的可靠性。

技术领域

本发明实施例涉及存储领域，并且更具体地，涉及一种内存设备及基于多层RRAM交叉阵列的数据处理方法。

背景技术

目前许多应用都会涉及复杂的大数据计算，例如指纹识别、机器学习等。对于现在的大数据计算来说，计算系统的性能的瓶颈主要体现在以下两个方面：

内存墙(memory wall)：随着技术的发展，处理器的性能在不断提升，但内存性能却增长很慢。因此，内存的性能成为系统整体性能提升的“短板”，即所谓的内存墙。具体而言，处理器与内存之间通过输入输出(Input/Output，I/O)总线连接与通信。由于硬件的限制，该IO总线的带宽有限，导致处理器大部分时间处于等待内存的空闲状态。

能耗墙(power wall)：目前的内存大部分采用的是易失性存储器。因此，为了保证数据不丢失，需要一直为易失性内存供电，导致内存的动态功耗与静态功耗都很大。

针对以上两个问题，通常有以下解决方案：

内存墙的解决方案：可以在内存中增加逻辑单元(或逻辑电路)，使得数据直接在内存中计算，即in-memory computing。以求10个数字之和为例，如果内存仅具有存储数据的功能，处理器需要通过IO总线从该内存中读取10个数字，并将这10个数字求和；如果内存具有逻辑运算功能，内存能够直接计算出10个数字之和，然后通过IO总线，将计算结果发送至处理器。比较以上两种实现方式可以发现，具有逻辑运算功能的内存将IO总线的传输压力降低了90％，从而能够有效降低内存墙的限制。

能耗墙的解决方案：可以使用非易失性(Non-volatile)存储器替代易失性存储器。由于存储器是非易失性的，位于其中的数据不会因为断电而丢失。因此，在数据处理过程中，无需时刻保持整个存储器的供电，这样可以有效降低功耗。

电阻式随机存取存储器(Resistive Random Access Memory，RRAM)技术的发展使得以上两个问题的同时解决成为可能。首先，RRAM的核心器件是忆阻器(或者说RRAM中的电阻为忆阻器)，具有非易失性，能降低功耗。进一步地，如图1所示，RRAM具有交叉阵列结构(因此，通常将RRAM称为RRAM交叉阵列，或RRAM交叉，或RRAM crossbar)。RRAM crossbar可以具有一层，也可以具有多层。在多层RRAM crossbar中，上一层的输出可以作为下一层的输入，RRAM crossbar的每一层设置有电阻阵列。如果将RRAM中的电阻看成神经网络中的神经元，可以发现RRAM crossbar与神经网络的结构十分类似，这样的结构非常适于逻辑运算。具体地，可以通过配置RRAM crossbar的层数、每层RRAM crossbar中的电阻阵列的规模以及每个电阻的阻值来实现各种各样的逻辑运算。