[论文解读] Multi-Bit Read and Write Methodologies for Diode-STTRAM Crossbar Array

Mohammad Nasim Imtiaz Khan, Swaroop Ghosh+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2016

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 7被引用 3

一句话总结

本文提出了一种用于二极管-STTRAM交叉阵列的多比特读写技术，以克服新兴非易失性存储器交叉阵列中的带宽限制。通过调节半选择单元的偏置——读取时为700 mV，写入时为50 mV脉冲——该技术实现了512比特读取和2比特写入，同时在512×512阵列中保持了2.04年的数据保持能力，显著提升了效率和可扩展性，且不会干扰未选中的单元。

ABSTRACT

Crossbar arrays using emerging non-volatile memory technologies such as Resistive RAM (ReRAM) offer high density, fast access speed and low-power. However the bandwidth of the crossbar is limited to single-bit read/write per access to avoid selection of undesirable bits. We propose a technique to perform multi-bit read and write in a diode-STTRAM (Spin Transfer Torque RAM) crossbar array. Simulation shows that the biasing voltage of half-selected cells can be adjusted to improve the sense margin during read and thus reduce the sneak path through the half-selected cells. In write operation, the half-selected cells are biased with a pulse voltage source which increases the write latency of these cells and enables to write 2-bits while keeping the half-selected bits undisturbed. Simulation results indicate biasing the half-selected cells by 700mV can enable reading as much as 512-bits while sustaining 512x512 crossbar with 2.04 years retention. The 2-bit writing requires pulsing by 50mV to optimize energy.

研究动机与目标

• 为克服使用STTRAM等新兴非易失性存储器的交叉阵列中的单比特带宽限制。
• 在读写过程中不干扰半选择单元的前提下，实现多比特操作。
• 在读取过程中提高判决余量，并减少交叉阵列中的漏电流干扰。
• 在多比特操作下，保持512×512交叉阵列中长达2.04年的长期数据保持能力。
• 通过脉冲电压偏置优化写入能耗效率。

提出的方法

• 在读取操作期间，将半选择单元的偏置电压调整为700 mV，以提高判决余量并抑制漏电流路径电流。
• 在写入操作期间，向半选择单元施加脉冲电压源，以增加写入延迟并确保可靠的2比特写入。
• 采用二极管基交叉阵列架构，隔离未选中单元，减少多比特操作期间的串扰。
• 通过电压电平调节，在读取可靠性与写入干扰之间实现平衡，确保数据完整性。
• 在各种偏置条件下对交叉阵列进行仿真，以评估性能和保持能力。
• 通过基于仿真的分析验证该方法，评估判决余量、写入延迟和保持时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不增加误码率的前提下，在二极管-STTRAM交叉阵列中可靠地执行多比特读取操作？
• RQ2 在读取操作中，如何提高判决余量以抑制半选择单元中的漏电流路径电流？
• RQ3 何种电压偏置策略可实现2比特写入，同时保护半选择单元中的数据？
• RQ4 在512×512阵列中，同时读取的最大比特数是多少，同时仍能保持2.04年的保持能力？
• RQ5 如何在确保可靠多比特写入的前提下最小化写入能耗？

主要发现

• 在半选择单元上施加700 mV偏置，可在512×512二极管-STTRAM交叉阵列中实现高达512比特的可靠读取。
• 所提出的读取方法保持了足够的判决余量，足以支持交叉阵列中2.04年的数据保持能力。
• 在写入操作期间，向半选择单元施加50 mV脉冲电压源，可实现2比特写入，并实现优化的能耗效率。
• 该技术成功防止了多比特写入操作期间对未选中单元的意外写入干扰。
• 仿真结果证实，该方法在大规模交叉阵列中保持了高可靠性和可扩展性。
• 该方法在不损害保持能力或数据完整性的情况下，显著提升了带宽效率。