[发明专利]基于忆阻器的存储器内计算架构

说明书

本发明属于集成电路技术领域，具体为一种基于忆阻器的存储器内计算架构。本发明的基于忆阻器的存储器内计算架构包括忆阻器阵列和辅助电路；忆阻器阵列是一个交叉阵列，由若干水平方向的互连线和若干竖直方向的互连线互相交叉构成，每个交叉处有一个忆阻器单元；忆阻器阵列实现存储内计算时，动态划分为存储区和计算区；计算区用于实现与、或、非、与非、或非、异或这些逻辑运算；计算区的运算结果保存在存储区；辅助电路用于进行除与、或、非、与非、或非、异或等逻辑运算之外的复杂运算包括数据处理、加密运算等。本发明可用于物联网终端架构中替代传统的物联网终端架构中的SRAM和Flash模块。本发明有利于改善物联网终端的低功耗和信息安全特性。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种基于忆阻器的存储器内计算架构。

背景技术

随着计算机、互联网、通信和集成电路等技术的发展，物联网（IoT，Internet ofThings）在医疗健康、工业、交通、家居、金融等方面的应用越来越广泛。我国2016年物联网市场规模已经超过9000亿元，预计到2020年将超过1.5万亿元。在物联网架构中，终端是物联网中连接传感网络层和传输网络层，实现采集数据及向网络层发送数据的设备，担负着数据采集、初步处理、加密、传输等多种功能。典型的物联网终端是基于MCU（微控制单元，俗称单片机）构建的。除了MCU，终端还包括传感器、无线收发和电池等模块。目前，国内外各大公司包括华为、谷歌、亚马逊和苹果等越来越重视终端产品，原因在于：随着人们对于终端产品需求的增加以及产品更新换代速度的提升，硬件终端市场的容量也得到了很大程度上的拓展；终端是拓展其他业务的平台，以智能手机为载体的服务包括O2O、游戏、在线直播、社交、出行等等快速崛起让很多企业看到了终端的价值。

物联网终端最重要的两个诉求是信息安全和低功耗。终端大都部署在无人监控的环境，具有能力脆弱、资源受限等特点。当终端连接到物联网时，其采集的信息可能被黑客窃取。因此，传感器采集到的信息必须经过MCU处理和加密之后才通过无线收发模块交给物联网，这样一方面滤除噪声等无用信息，减少发送的信息量，节省功耗；另一方面，信息经过加密之后，能够降低被窃取的风险。终端的低功耗诉求主要来源于其依靠电池供电，而电池的容量决定了终端的使用寿命。在一些环境恶劣的使用场合，物联网终端低功耗需求是工作时长达到10年左右。

但是，目前物联网终端的核心部分MCU仍然采用传统的冯洛伊曼架构，这给终端的功耗和安全性带来很大的影响。传感器采集到的信息交给MCU处理，在处理之前，CPU需要先通过总线从Flash中读取代码；在处理过程中，计算的中间数据一般通过总线保存在SRAM中；在处理完之后，数据一方面通过总线写入Flash保存，另一方面通过总线交给IO，最后由无线收发模块发送给物联网。在整个信息处理过程中，由于用于计算的CPU和用于存储数据和代码的SRAM和Flash在物理上是分开的，数据和代码需要经过总线进行多次搬运，这样，一方面带来功耗的增加，另一方面，数据容易通过总线被某些端口恶意监听窃取，给安全性带来不利影响。

忆阻器（memristor）兼具存储和计算的特性，为克服冯洛伊曼架构的缺陷、改善物联网终端的能效和安全性提供了希望。作为除电阻、电容和电感之外的“第四种无源器件”，忆阻器的概念是由华裔科学家蔡少棠（Leon Chua）提出，来描述电荷与磁通量之间的非线性关系。直到2008年，惠普（HP）的科学家在实验中发现TiOx具有忆阻器的特性。忆阻器具有非易失、单元结构简单（两端器件）、微缩性好和与标准CMOS工艺兼容性好等优点，因此，忆阻器可以取代flash实现片上高密度存储。除了存储，memristor在实现非易失逻辑和神经网络计算方面也表现出优势，有望克服传统冯诺依曼架构的缺陷。