[发明专利]一种高带宽的磁性随机存储器

说明书

本发明公开了一种高带宽的磁性随机存储器，包括双田字型布置的八个存储阵列，每个存储阵列都带有一个参考单元块，双田字型布置的上半部的四个参考单元块联合使用，下半部的四个参考单元块联合使用。磁性随机存储器的外部电路包括列地址解码器、行地址解码器、读写控制器；每个存储阵列组中各带有四个列地址解码器、一个行地址解码器、两个读写控制器；四个列地址解码器各控制一个存储阵列，行地址解码器控制四个存储阵列，每个读写控制器控制上下相邻的两个存储阵列。本发明的有益效果：较小阵列并联使用形成既是高速同时也是高带宽的布局。不同阵列中的参考单元块联合使用，使得每个阵列中的参考单元数目减少，提高面积利用率。

技术领域

本发明涉及一种磁性随机存储器(MRAM，Magnetic Radom Access Memory)，具体涉及一种高带宽的磁性随机存储器，属于半导体芯片领域技术领域。

背景技术

MRAM是一种新的内存和存储技术，可以像SRAM/DRAM一样快速随机读写，还可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据。它的经济性相当地好，单位容量占用的硅片面积比SRAM有很大的优势，比在此类芯片中经常使用的NOR Flash也有优势，比嵌入式NOR Flash的优势更大。它的性能也相当好，读写时延接近最好的SRAM，功耗则在各种内存和存储技术最优。而且MRAM不像DRAM以及Flash那样与标准CMOS半导体工艺不兼容。MRAM可以和逻辑电路集成到一个芯片中。

MRAM的原理，是基于一个叫做MTJ(磁性隧道结)的结构。它是由两层铁磁性材料夹着一层非常薄的非铁磁绝缘材料组成的，如图1和图2所示。下面的一层铁磁材料是具有固定磁化方向的参考层13，上面的铁磁材料是可变磁化方向的记忆层11，记忆层11的磁化方向可以和参考层13相平行或反平行。由于量子物理的效应，电流可以穿过中间的隧道势垒层12，但是MTJ的电阻和可变磁化层的磁化方向有关。

记忆层11和参考层13的磁化方向相平行时电阻低，如图1；反平行时电阻高，如图2。读取MRAM的过程就是对MTJ的电阻进行测量。使用比较新的STT-MRAM技术，写MRAM也比较简单：使用比读更强的电流穿过MTJ进行写操作。一个自下而上的电流把可变磁化层置成与固定层反平行的方向。自上而下的电流把它置成平行的方向。

每个MRAM的存储单元由一个MTJ和一个NMOS选择管组成。每个存储单元需要连接三根线：NMOS管的栅极连接到芯片的字线(Word Line)32，负责接通或切断这个单元；NMOS管的一极连在源极线(Source Line)33上，NMOS管的另一极和磁性隧道结34的一极相连，磁性隧道结34的另一极连在位线(Bit Line)31上，如图3所示。一个MRAM芯片由一个或多个MRAM存储单元的阵列组成，每个阵列有若干外部电路，如图4所示：行地址解码器把收到的地址变成字线的选择；列地址解码器把收到的地址变成位线的选择；读写控制器控制位线上的读(测量)写(加电流)操作；输入输出控制器用于和外部交换数据。

MRAM的读出电路需要检测MRAM记忆单元的电阻。由于磁性隧道结的电阻会随着温度等而漂移，一般的方法是使用芯片上的一些已经被写成高阻态或低阻态的记忆单元作为参考单元，再使用读出放大器(Sense Amplifier)来比较记忆单元和参考单元的电阻。而参考单元也是由普通的记忆单元制成的，像普通的记忆单元一样，它也会有一个分布，这个分布会加大发生读出错误的几率，如图5所示。

为了改善这个问题，参考单元一般由大量的记忆单元并联而成，通常的参考单元布局如图6所示：每一行的记忆单元共用一组参考单元；一组参考单元由大量的(例如16、32个)记忆单元组成。这么多参考单元占据相当大的一部分面积，这对于芯片的成本有负面影响。

MRAM的一个重要应用领域是嵌入式。在GPU、人工智能芯片的诸多领域里，需要高速且高带宽的内存，外部的RAM无法满足需要。所以，高速且高带宽MRAM的设计非常重要。高速的要求使得MRAM的阵列不能做得太宽。由于不能太宽，同时不能读写太多比特，带宽就被限制。而且，参考单元占用的面积也是个问题。