自旋转移矩的随机存储器(Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory,STT-MRAM)以其非易失性、读写速度快、数据保持时间长、完全兼容CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺等优势在新型存储器中脱颖而出.随着...自旋转移矩的随机存储器(Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory,STT-MRAM)以其非易失性、读写速度快、数据保持时间长、完全兼容CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺等优势在新型存储器中脱颖而出.随着其产业化的投入暴增和应用规模的扩大,STT-MRAM存储器产品的质量和可靠性测试十分必要.当前,最常用的March测试算法在对STT-MRAM的性能进行验证时,存在测试复杂度与故障覆盖率两者不匹配的难题.针对于此,从STT-MRAM的制造缺陷形成和分类出发,将部分针孔故障的表现形式,采用March敏化的方式检测,并基于此类故障类型,提出了一种高故障覆盖率的March CM测试算法,根据此算法设计相应的内建自测试(Build-In Self-Testing,BIST)电路.仿真验证及对STT-MRAM的板级测试显示这一设计达到了兼容高复杂度和高覆盖率的测试要求.展开更多
近年来,各向异性磁性材料因良好的随机特性为随机数发生器(Random Number Generator,RNG)等重要的硬件安全原语设计提供了一种新思路。已有的基于磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的随机数发生器方案虽然具有更高的安全性、能效...近年来,各向异性磁性材料因良好的随机特性为随机数发生器(Random Number Generator,RNG)等重要的硬件安全原语设计提供了一种新思路。已有的基于磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的随机数发生器方案虽然具有更高的安全性、能效和集成度等优点,但依然无法有效解决输出序列随机性受温度影响的问题。文章提出了非均匀写入法和非固定参考法两种灵活的抗温度干扰的真随机数产生方法。两种方法在提升随机数电路输出随机性的同时尽可能抵消环境温度的干扰。实验结果表明,两种随机数产生方案产生的随机数的香农熵在97%左右,且以较高的通过率(>98.5%)通过美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)测试。展开更多
Magnetoresistive random access memory(MRAM)is a promising non-volatile memory technology that can be utilized as an energy and space-efficient storage and computing solution,particularly in cache functions within circ...Magnetoresistive random access memory(MRAM)is a promising non-volatile memory technology that can be utilized as an energy and space-efficient storage and computing solution,particularly in cache functions within circuits.Although MRAM has achieved mass production,its manufacturing process still remains challenging,resulting in only a few semiconductor companies dominating its production.In this review,we delve into the materials,processes,and devices used in MRAM,focusing on both the widely adopted spin transfer torque MRAM and the next-generation spin-orbit torque MRAM.We provide an overview of their operational mechanisms and manufacturing technologies.Furthermore,we outline the major hurdles faced in MRAM manufacturing and propose potential solutions in detail.Then,the applications of MRAM in artificial intelligent hardware are introduced.Finally,we present an outlook on the future development and applications of MRAM.展开更多
为突破冯·诺伊曼架构的能效与数据吞吐瓶颈,基于脉冲神经网络的存算一体化架构对底层非易失性存储器的性能提出严苛要求。在众多新型存储器中,自旋转移矩磁性随机存储器(spin-transfer torque magnetic random access memory,STT-M...为突破冯·诺伊曼架构的能效与数据吞吐瓶颈,基于脉冲神经网络的存算一体化架构对底层非易失性存储器的性能提出严苛要求。在众多新型存储器中,自旋转移矩磁性随机存储器(spin-transfer torque magnetic random access memory,STT-MRAM)凭借纳秒级读写速度、极高耐久性、出色的数据保持能力、低功耗以及与互补金属-氧化物-半导体(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)工艺的后端兼容性,成为极具潜力的候选器件。STTMRAM的核心元件为磁隧道结(magnetic tunnel junction,MTJ),其通过电流直接驱动磁化翻转的物理机制是实现快速读写和低功耗操作的关键。系统综述STT-MRAM快速翻转动力学机理与性能优化策略的最新研究进展,重点分析MTJ核心结构参数(如自由层材料、垂直磁各.向异性能等)对其翻转性能和可靠性的影响规律,并对先进电学表征技术进行详细介绍,为面向存算一体应用的高性能STT-MRAM设计提供理论依据与技术路径。展开更多
提出了一种基于磁随机存储器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)的通用型存算一体处理(Porcessor in Memory,PIM)宏架构,可工作在常规MRAM、并行PIM与串行PIM模式下。该架构以一种新型2T1MTJ存储单元结构为基础,在PIM模式下可实现布...提出了一种基于磁随机存储器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)的通用型存算一体处理(Porcessor in Memory,PIM)宏架构,可工作在常规MRAM、并行PIM与串行PIM模式下。该架构以一种新型2T1MTJ存储单元结构为基础,在PIM模式下可实现布尔逻辑运算、全加器、移位/循环操作等功能。数模混合仿真结果表明,在100 MHz时钟频率下,该方案执行一组读写操作或者与/或位逻辑计算操作的时间均为3个周期。较基于1T1MTJ单元的方案而言,该PIM架构不仅不增加阵列面积,还可显著提升写操作可靠性和位逻辑运算正确率。展开更多
传统企业级固态硬盘存储芯片采用外接DRAM(Dynamic Random Access Memory)颗粒的方式来存储闪存地址转换映射表,不仅成本高,占用面积大,还需要设计复杂的掉电保护流程和额外的备电保持电容。利用新型磁旋存储芯片的掉电非易失特性,以及...传统企业级固态硬盘存储芯片采用外接DRAM(Dynamic Random Access Memory)颗粒的方式来存储闪存地址转换映射表,不仅成本高,占用面积大,还需要设计复杂的掉电保护流程和额外的备电保持电容。利用新型磁旋存储芯片的掉电非易失特性,以及密度高、速度快、功耗低、数据保持时间长、可擦写次数无限等特点,提出了一种基于嵌入式磁旋存储芯片的固态硬盘控制器架构方案,能够大大简化控制器芯片的掉电异常流程和备电设计,节省固态硬盘内部的备电电容成本,有效支撑固态硬盘的容量提升。展开更多
文摘自旋转移矩的随机存储器(Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory,STT-MRAM)以其非易失性、读写速度快、数据保持时间长、完全兼容CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺等优势在新型存储器中脱颖而出.随着其产业化的投入暴增和应用规模的扩大,STT-MRAM存储器产品的质量和可靠性测试十分必要.当前,最常用的March测试算法在对STT-MRAM的性能进行验证时,存在测试复杂度与故障覆盖率两者不匹配的难题.针对于此,从STT-MRAM的制造缺陷形成和分类出发,将部分针孔故障的表现形式,采用March敏化的方式检测,并基于此类故障类型,提出了一种高故障覆盖率的March CM测试算法,根据此算法设计相应的内建自测试(Build-In Self-Testing,BIST)电路.仿真验证及对STT-MRAM的板级测试显示这一设计达到了兼容高复杂度和高覆盖率的测试要求.
文摘近年来,各向异性磁性材料因良好的随机特性为随机数发生器(Random Number Generator,RNG)等重要的硬件安全原语设计提供了一种新思路。已有的基于磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)的随机数发生器方案虽然具有更高的安全性、能效和集成度等优点,但依然无法有效解决输出序列随机性受温度影响的问题。文章提出了非均匀写入法和非固定参考法两种灵活的抗温度干扰的真随机数产生方法。两种方法在提升随机数电路输出随机性的同时尽可能抵消环境温度的干扰。实验结果表明,两种随机数产生方案产生的随机数的香农熵在97%左右,且以较高的通过率(>98.5%)通过美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)测试。
基金supported in part by the Youth Innovation Promotion Association of Chinese Academy of Sciences(CAS)under Grant 2020118Beijing Nova Program under Grant 20230484358Beijing Superstring Academy of Memory Technology:under Grant No.E2DF06X003。
文摘Magnetoresistive random access memory(MRAM)is a promising non-volatile memory technology that can be utilized as an energy and space-efficient storage and computing solution,particularly in cache functions within circuits.Although MRAM has achieved mass production,its manufacturing process still remains challenging,resulting in only a few semiconductor companies dominating its production.In this review,we delve into the materials,processes,and devices used in MRAM,focusing on both the widely adopted spin transfer torque MRAM and the next-generation spin-orbit torque MRAM.We provide an overview of their operational mechanisms and manufacturing technologies.Furthermore,we outline the major hurdles faced in MRAM manufacturing and propose potential solutions in detail.Then,the applications of MRAM in artificial intelligent hardware are introduced.Finally,we present an outlook on the future development and applications of MRAM.
文摘为突破冯·诺伊曼架构的能效与数据吞吐瓶颈,基于脉冲神经网络的存算一体化架构对底层非易失性存储器的性能提出严苛要求。在众多新型存储器中,自旋转移矩磁性随机存储器(spin-transfer torque magnetic random access memory,STT-MRAM)凭借纳秒级读写速度、极高耐久性、出色的数据保持能力、低功耗以及与互补金属-氧化物-半导体(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)工艺的后端兼容性,成为极具潜力的候选器件。STTMRAM的核心元件为磁隧道结(magnetic tunnel junction,MTJ),其通过电流直接驱动磁化翻转的物理机制是实现快速读写和低功耗操作的关键。系统综述STT-MRAM快速翻转动力学机理与性能优化策略的最新研究进展,重点分析MTJ核心结构参数(如自由层材料、垂直磁各.向异性能等)对其翻转性能和可靠性的影响规律,并对先进电学表征技术进行详细介绍,为面向存算一体应用的高性能STT-MRAM设计提供理论依据与技术路径。
文摘提出了一种基于磁随机存储器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)的通用型存算一体处理(Porcessor in Memory,PIM)宏架构,可工作在常规MRAM、并行PIM与串行PIM模式下。该架构以一种新型2T1MTJ存储单元结构为基础,在PIM模式下可实现布尔逻辑运算、全加器、移位/循环操作等功能。数模混合仿真结果表明,在100 MHz时钟频率下,该方案执行一组读写操作或者与/或位逻辑计算操作的时间均为3个周期。较基于1T1MTJ单元的方案而言,该PIM架构不仅不增加阵列面积,还可显著提升写操作可靠性和位逻辑运算正确率。
文摘传统企业级固态硬盘存储芯片采用外接DRAM(Dynamic Random Access Memory)颗粒的方式来存储闪存地址转换映射表,不仅成本高,占用面积大,还需要设计复杂的掉电保护流程和额外的备电保持电容。利用新型磁旋存储芯片的掉电非易失特性,以及密度高、速度快、功耗低、数据保持时间长、可擦写次数无限等特点,提出了一种基于嵌入式磁旋存储芯片的固态硬盘控制器架构方案,能够大大简化控制器芯片的掉电异常流程和备电设计,节省固态硬盘内部的备电电容成本,有效支撑固态硬盘的容量提升。
