【摘要】：隨之CMOS工藝進(jìn)入7nm制程時代,摩爾定律確定的“摩爾時代”即將終結(jié),微電子行業(yè)迫切地需要新一代器件來引導(dǎo)整個行業(yè)往下發(fā)展。此外,傳統(tǒng)馮-諾依曼體系構(gòu)架的計算機,由于處理器性能和存儲器性能之間極度不匹配以及傳輸總線的寄生效應(yīng),計算機的發(fā)展也到了瓶頸期。為了解決這兩個問題,我們急需尋找新的突破口。RRAM(Resistive Random Access Memory)阻變存儲器作為一種新型的非易失性存儲由于結(jié)構(gòu)簡單,集成度高,低功耗等優(yōu)點,一直被認(rèn)為是最有可能突破傳統(tǒng)器件限制的新型器件。近幾年,關(guān)于RRAM的研究不僅在存儲器方面取得了長足的進(jìn)展,在存儲、計算一體化的邏輯運算方面也取得了很大的進(jìn)展,國際上不斷有相關(guān)論文刊登,提出新的存算一體邏輯算法以改進(jìn)和優(yōu)化前人的邏輯算法。RRAM與邏輯運算的結(jié)合,不僅能解決傳統(tǒng)存儲器由于尺寸帶來的限制,而且也為突破計算機瓶頸提供一種很好的解決方案。然而,基于RRAM的邏輯運算目前還處于研究階段,雖然能簡單地實現(xiàn)存儲和計算的融合,但還都只是停留在基本的邏輯層面,還存在著許多不足,包括運算速度慢、對RRAM器件穩(wěn)定性要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題,這些問題亟待解決。在本文中,提出了一種基于表決器(MIG,Majority-Inverter Graph)邏輯的運算方法,從邏輯層面來講,表決器邏輯被證明比傳統(tǒng)的與或非邏輯在實現(xiàn)復(fù)雜運算方面具有更快的速度和更小的功耗,從RRAM層面上講,表決器邏輯與RRAM本身具有很好的匹配性,單個RRAM單元便可以實現(xiàn)一次表決器邏輯操作。因此,在此基礎(chǔ)上,本文基于RRAM的表決器邏輯設(shè)計了一位全加器多位乘法器,首先是從理論上分析如何用RRAM的表決器邏輯構(gòu)建上述邏輯,其次,進(jìn)行硬件電路設(shè)計并進(jìn)行仿真,最終根據(jù)硬件電路的設(shè)計進(jìn)行電路的物理實現(xiàn)。通過該表決器邏輯的研究和試驗,不僅提高了當(dāng)前基于RRAM邏輯運算的速度,同時也為將來的計算機算術(shù)邏輯單元的設(shè)計提供了一種方案。
【學(xué)位授予單位】：安徽大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN402;TP332.2
【圖文】：

工藝良好的兼容性和器件尺寸可縮小的特性，使得ＲＲＡＭ阻變存儲器一直受到逡逑學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究和關(guān)注，被認(rèn)為最有可能取代ＦＬＡＳＨ存儲器的新型存儲逡逑器之一。如圖１－１所示，ＲＲＡＭ阻變存儲器是一個兩端器件，具有ＭＩＭ的器件逡逑結(jié)構(gòu)，即上下兩個金屬電極中夾一層絕緣介質(zhì)（也叫電阻轉(zhuǎn)變功能層），這一結(jié)逡逑構(gòu)也被形象地稱為“三明治”結(jié)構(gòu)，分別由下電極阻變功能層和上電極組成ｍ。逡逑ＲＲＡＭ是通過自身阻態(tài)的大小來判斷存儲的數(shù)據(jù)，高阻態(tài)表示二進(jìn)制“０”，低阻逡逑態(tài)表示二進(jìn)制“１”，以Ｈｆ０２阻變材料的ＲＲＡＭ為例，其低阻態(tài)在ｌｋ邋Ｑ左右表“１”，逡逑高阻態(tài)在１００ｋ邋Ｑ左右表“０”。逡逑Ｉ逡逑上電極逡逑阻變層逡逑下電極逡逑１逡逑圖１－１邋“三明治”結(jié)構(gòu)的阻變存儲器示意圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－１邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＭｓａｎｄｗｉｃｈＭ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ａ邋ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ邋ｍｅｍｏｒｙ逡逑ＲＲＡＭ除了作為非易失性存儲器存儲數(shù)據(jù)外，ＲＲＡＭ還可以結(jié)合一些新的逡逑２逡逑

要對器件進(jìn)行讀操作來檢查器件是否完成了邋ｓｅｔ或ｒｅｓｅｔ操作，此外，讀電壓ＶＲＥＡＤ逡逑是一個正向的小電壓，且要遠(yuǎn)小于ＶＳＥＴ以免對器件造成誤操作［１９］。逡逑圖２－１是對一個ＲＲＡＭ器件多次電壓掃描后得到的Ｉ／Ｖ特性曲線圖，掃描逡逑范圍是－２Ｖ－２Ｖ，從圖中可以看出，當(dāng)施加在器件兩的電壓從０開始正向逐漸增大逡逑到１．８Ｖ左右時，通過ＲＲＡＭ器件的電流突然增大，此時發(fā)生了邋ｓｅｔ操作，ＲＲＡＭ逡逑器件組態(tài)由高變低，當(dāng)施加電壓從零開始反向逐漸增大－ＩＶ后，通過器件的電流逡逑逐漸減小，器件發(fā)生ｒｅｓｅｔ操作，阻變層中的”導(dǎo)電細(xì)絲”逐漸斷開，器件組態(tài)由逡逑低變高。逡逑１０＇２ｉ邐逡逑ｒｅｓｅｔ逡逑ｉ0－８－邐Ｙ逡逑１０９邐Ｉ逡逑－２．０邋－１．５邋－１．０邋－０．５邋０．０邋０．５邋１．０邋１．５邋２．０逡逑Ｖｏｌｔａｇｅ（Ｖ）逡逑圖２－１邋ＲＲＡＭ單元的Ｉ／Ｖ特性圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－１邋Ｔｈｅ邋Ｗ邋ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ邋ｏｆ邋ｍｅｍｒｉｓｔｏｒｓ逡逑圖２－２時對－ＲＲＡＭ器件施加不同電壓脈沖ＲＲＡＭ阻態(tài)響應(yīng)變化圖，從圖逡逑中可知，ＲＲＡＭ器件在第一個大小為Ｖｓｅｔ的電壓脈沖作用后，立即進(jìn)行讀操作逡逑有電流經(jīng)過器件，ＲＲＡＭ器件確實變?yōu)榱说妥钁B(tài)，在第一個反向電壓Ｖｒｅｓｅｔ的逡逑作用下讀操作無電流通過

在工藝制備上的偏差導(dǎo)致ＲＲＡＭ的均勻性差，此外ＲＲＡＭ具有一定的使用壽逡逑命，隨著使用時間的增加，ＲＲＡＭ導(dǎo)電特性不斷變化直至損壞，這些因素都導(dǎo)致逡逑ＲＲＡＭ的阻變不唯一。圖２－３—種ＲＲＡＭ器件的阻值分布圖，有圖可知，其低逡逑阻值轉(zhuǎn)變范圍為］０３－１０４ｎ，高阻態(tài)更是在１０５－１０８０之間變化，而如果一個ＲＲＡＭ逡逑器件的低阻態(tài)是ｉｏ４ｎ，高阻態(tài)是ｉｏ５ｎ，高低阻態(tài)只差了一個數(shù)量級，這對電路逡逑設(shè)計阻變存儲器外圍電路而言，將造成很大的麻煩，比如讀電路無法識別器件的逡逑高低阻值等問題。針對ＲＲＡＭ外圍電路設(shè)計而言，我們只需要ＲＲＡＭ器件有一逡逑個穩(wěn)定的低阻值窗口且高低阻值最少相差兩個數(shù)量級，高阻值則不做要求。逡逑９逡逑

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本文編號：2781690