本文關鍵詞：STT-MTJ建模與相關保留寄存器研究

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【摘要】：便攜式設備和可穿戴設備快速發(fā)展,使得人們對設備的續(xù)航時間越來越關注。落實到芯片設計,則是對低功耗的需求日益強烈。再加上先進工藝下的泄漏功耗占芯片總功耗的比例上升,低功耗技術中的待機功耗優(yōu)化技術顯得尤為重要。實現(xiàn)低待機功耗的最直接而有效的方法就是使用電源門控技術(Power Gating),但是電源關斷后,被關斷模塊內(nèi)部的狀態(tài)數(shù)據(jù)也會丟失。 解決斷電后數(shù)據(jù)丟失的辦法是使用保留寄存器(Retention Register)。但傳統(tǒng)的保留寄存器有如下缺點：缺點一是沒有徹底斷電,增加了待機功耗。主電源(primary power supply)斷電后,數(shù)據(jù)保留電路仍然在工作,當寄存器數(shù)量較多時,仍然會引起較大的待機功耗；缺點二是,增加了布局布線難度。一方面由于使用雙電源供電,在布局布線時,不僅需要為主電源留出面線空間,還需要為輔助電源(backup power supply)留出布線空間；另一方面,數(shù)據(jù)保留電路的控制信號不能關斷,在可關斷電壓域中必須使用常通電標準單元(Always On Standard Cell)傳輸這些控制信號。 隨著非易失性存儲器(Non-volatile Memory, NVM)的發(fā)展,可以使用基于非易失性存儲單元的寄存器。由于NVM斷電后數(shù)據(jù)不會丟失,本身就具有數(shù)據(jù)保留功能,無需使用雙電源供電。在眾多的非易失性存儲單元中,自旋轉移力矩磁隧道結(Spin-Torque-Transfer Magnetic Tunnel Junction, STT-MTJ)因為有著非易失性,無限的寫次數(shù)、兼容CMOS工藝、不會增加器件面積以及良好的可縮放性等諸如多優(yōu)點而得到了廣泛的研究。本文對STT-MTJ、STT-MTJ關鍵讀寫電路及STT-MTJ在寄存器中的應用做了系統(tǒng)的研究,主要工作內(nèi)容如下： (1)對STT-MTJ仿真模型進行了研究：基于STT磁隧道結的物理方程,包括電阻、臨界電流、翻轉條件以及熱擾動等物理方程,建立了可與CMOS電路聯(lián)合仿真的行為模型,并使用HSPICE進行了初步驗證。 (2)對STT-MTJ的寫入電路進行了研究,分析了驅(qū)動強度與MTJ翻轉功耗、寫延遲的關系,并探討了在STT-MTJ寄存器應用中如何選擇MTJ寫電路的驅(qū)動強度。 (3)對STT-MTJ的讀取電路進行了研究,分析了管子大小與讀延遲、讀干擾的關系,分析了讀取電路對電荷的敏感性,并指出在電路實現(xiàn)時的注意事項。 (4)對STT-MTJ寄存器及STT-MTJ保留寄存器進行了研究,分析了傳統(tǒng)STT-MTJ寄存器,并指出其存在的速度慢、功耗大等問題；分析了現(xiàn)有的STT-MTJ保留寄存器,及其存在的數(shù)據(jù)覆蓋問題；基于上述的STT-MTJ模型研究、讀寫電路研究,設計了新型的STT-MTJ保留寄存器結構,相比傳統(tǒng)STT-MTJ寄存器,速度提高了15.2倍,功耗明顯降低(下降幅度取決于工作情況),而面積僅增加了12.5%；相比現(xiàn)有的STT-MTJ保留寄存器,本電路克服了數(shù)據(jù)覆蓋問題,而面積并未增加,速度也相差無幾(只相差11ps)。
【關鍵詞】：自旋轉移力矩磁隧道結 非易失性存儲器 寄存器 保留寄存器
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TP333
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目錄9-12
• 圖索引12-14
• 表索引14-15
• 1. 緒論15-22
• 1.1 選題背景與研究意義15
• 1.2 保留寄存器簡介15-17
• 1.3 自旋轉移力矩磁隧道結簡介17-20
• 1.3.1 STT-MTJ的特點17-18
• 1.3.2 STT-MTJ的工藝現(xiàn)狀18-19
• 1.3.3 STT-MTJ寄存器的研究現(xiàn)狀19-20
• 1.4 論文的創(chuàng)新點20-21
• 1.5 論文主要內(nèi)容與論文結構21-22
• 2 STT-MTJ的建模與仿真22-39
• 2.1 STT-MTJ建模22-30
• 2.1.1 STT-MTJ電阻23-24
• 2.1.2 臨界電流24-25
• 2.1.3 翻轉條件25-27
• 2.1.4 熱擾動27-28
• 2.1.5 整體實現(xiàn)28-30
• 2.2 仿真模型的驗證30-38
• 2.2.1 P狀態(tài)仿真30-31
• 2.2.2 AP狀態(tài)仿真31-33
• 2.2.3 R-I曲線仿真33-35
• 2.2.4 數(shù)據(jù)保存時間仿真35-38
• 2.3 本章小結38-39
• 3 STT-MTJ保留寄存器的電路設計39-50
• 3.1 整體結構的選擇39-40
• 3.2 主從級的電路設計40-43
• 3.2.1 結構設計40-43
• 3.2.2 晶體管參數(shù)選取43
• 3.3 STT-MTJ寫電路43-45
• 3.3.1 結構設計43-44
• 3.3.2 晶體管參數(shù)選取44-45
• 3.4 STT-MTJ讀電路45-47
• 3.4.1 結構設計45-46
• 3.4.2 晶體管參數(shù)選取46-47
• 3.5 整體電路及版圖實現(xiàn)47-49
• 3.5.1 結構設計47-48
• 3.5.2 版圖實現(xiàn)48-49
• 3.6 本章小結49-50
• 4 實驗結果與分析討論50-64
• 4.1 仿真環(huán)境50
• 4.2 功能仿真50-55
• 4.2.1 DFF模式50-51
• 4.2.2 數(shù)據(jù)保存模式51-53
• 4.2.3 數(shù)據(jù)恢復模式53-54
• 4.2.4 待機模式54-55
• 4.2.5 結論55
• 4.3 與傳統(tǒng)STT-MTJ寄存器對比55-58
• 4.3.1 參數(shù)匯總56-57
• 4.3.2 對比分析57-58
• 4.3.3 結論58
• 4.4 與現(xiàn)有的STT-MTJ保留寄存器對比58-63
• 4.4.1 參數(shù)匯總59-60
• 4.4.2 對比分析60-63
• 4.4.3 結論63
• 4.5 本章小結63-64
• 5 總結和展望64-66
• 參考文獻66-69
• 作者簡介69-70
• 作者攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文70

【相似文獻】

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 曾劍銘;STT-MTJ建模與相關保留寄存器研究[D];浙江大學;2015年

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本文編號：635565