專利名稱：：一種降低相變存儲器編程功耗的系統(tǒng)及方法一種降低相變存儲器編程功耗的系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
木發(fā)明涉及微納電子學(xué)
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其是指一種降低相變存儲器編程功耗的系統(tǒng)及方法。技術(shù)背景相變存儲器技術(shù)是基于Ovshinsky在20世紀(jì)60年代末(Phys.Rev.Lett.,21，1450~1453,1968)70年代初(Appl.Phys.Lett,18,254~257,1971)提出的相變薄膜可以應(yīng)用于相變存儲介質(zhì)的構(gòu)想建立起來的，是一種價(jià)格便宜、性能穩(wěn)定的存儲器件。相變存儲器可以做在硅晶片襯底上，其關(guān)鍵材料是可記錄的相變薄膜、加熱電極材料、絕熱材料和引出電極材的研究熱點(diǎn)也就圍繞其器件工藝展開器件的物理機(jī)制研究，包括如何減小器件料等。相變存儲器的基本原理是利用電脈沖信號作用于器件單元上，使相變材料在非晶態(tài)與多晶態(tài)之間發(fā)生可逆相變，通過分辨非晶態(tài)時(shí)的高阻與多晶態(tài)時(shí)的低阻，可以實(shí)現(xiàn)信息的寫入、擦除和讀出操作。相變存儲器由于具有高速讀取、高可擦寫次數(shù)、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗強(qiáng)震動和抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，被國際半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會認(rèn)為最有可能取代目前的閃存存儲器而成為未來存儲器主流產(chǎn)品和最先成為商用產(chǎn)品的器件。相變存儲器的讀、寫、擦操作就是在器件單元上施加不同寬度和高度的電壓或電流脈沖信號擦操作(RESET),當(dāng)加一個(gè)短且強(qiáng)的脈沖信號使器件單元中的相變材料溫度升高到熔化溫度以上后，再經(jīng)過快速冷卻從而實(shí)現(xiàn)相變材料多晶態(tài)到非晶態(tài)的轉(zhuǎn)換，即"1"態(tài)到"0"態(tài)的轉(zhuǎn)換；寫操作(SET),當(dāng)施加一個(gè)長且中等強(qiáng)度的脈沖信號使相變材料溫度升到熔化溫度之下、結(jié)晶溫度之上后，并保持一段時(shí)間促使晶核生長，從而實(shí)現(xiàn)非晶態(tài)到多晶態(tài)的轉(zhuǎn)換，即"0"態(tài)到"1"態(tài)的轉(zhuǎn)換；讀操作，當(dāng)加一個(gè)對相變材料的狀態(tài)不會產(chǎn)生影響的很弱的脈沖信號后，通過測量器件單元的電阻值來讀取它的狀態(tài)。目前世界上從事相變存儲器研發(fā)工作的機(jī)構(gòu)大多數(shù)是半導(dǎo)體行業(yè)的大公司，他們關(guān)注的焦點(diǎn)都集中在如何盡快實(shí)現(xiàn)相變存儲器的商業(yè)化上。由于相變存儲器在進(jìn)行RESET操作時(shí)，需要將相變材料進(jìn)行熔化，所以需要消耗大量的能量。而目前所設(shè)計(jì)的相變存儲器大多是針對直寫模式(writedirectly)開發(fā)的在編程過程中不管原有數(shù)據(jù)，直接對存儲器進(jìn)行編程操作。如果原有單元已經(jīng)處于非晶態(tài)，而編程操作的結(jié)果也是讓其處于非晶態(tài)的話，那么其實(shí)等于浪費(fèi)了編程操作。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，從統(tǒng)計(jì)角度看，由于相變單元永遠(yuǎn)只有非晶與多晶兩種狀態(tài)，那么編程前后處于相同狀態(tài)的比例應(yīng)該是50%。故而，直寫模式的相變存儲器功耗浪費(fèi)達(dá)到50%!因此，實(shí)有必要對現(xiàn)有的相變存儲器編程系統(tǒng)及方法做進(jìn)一步改進(jìn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種降低相變存儲器編程功耗的系統(tǒng)及方法，實(shí)現(xiàn)在不影響編程速度的前提下，降低一半的功耗。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種降低相變存儲器編程功耗的系統(tǒng)，其包括編程模塊及讀取模塊,其中，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括預(yù)讀模塊，用于在在執(zhí)行本次編程操作的同時(shí)，對下一位或多位待編程地址位進(jìn)行預(yù)讀;比較模塊，用于比較待編程數(shù)據(jù)與存儲器原有數(shù)據(jù)是否相同；臨時(shí)存儲載體，用于保存預(yù)讀模塊所得的結(jié)果，以供下一位或多位編程時(shí)調(diào)用；地址轉(zhuǎn)換模塊，用于通過地址轉(zhuǎn)換協(xié)議，使得前后兩次編程的地址出現(xiàn)在同一條字線或位線上，或使得前后兩次編程的地址不出現(xiàn)在同一個(gè)存儲塊中；兩個(gè)位線選通器件，用于分別控制讀取模塊和編程模塊。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述比較模塊包括比較電路。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述臨時(shí)存儲載體包括寄存器、靜態(tài)隨機(jī)存儲器、動態(tài)存儲器。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，用于讀取模塊的位線選通器件采用薄氧柵和低壓控制，用于編程模塊的位線選通器件采用厚氧柵和高壓控制。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述地址轉(zhuǎn)換協(xié)議采用采用蛇形數(shù)據(jù)存儲順序。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述地址轉(zhuǎn)換模塊在相變存儲器外部，由外部的控制使得前后兩次編程數(shù)據(jù)處于同一字線或位線上。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述地址轉(zhuǎn)換模塊在相變存儲器內(nèi)部，由內(nèi)部的邏輯控制電路控制使得前后兩次編程數(shù)據(jù)處于同一字線或位線上；或者使得前后兩次編程數(shù)據(jù)處于不同的存儲塊中。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，在字線和位線分別設(shè)計(jì)靈敏放大器。本發(fā)明進(jìn)一步包括以下技術(shù)方案一種降低相變存儲器編程功耗的方法，該方法包括以下步驟-步驟一，將待編程數(shù)據(jù)與存儲器原有數(shù)據(jù)進(jìn)行比較如果待寫入數(shù)據(jù)與存儲器原始存入數(shù)據(jù)相同，則不進(jìn)行編程操作；如果待寫入數(shù)據(jù)與存儲器原始存入數(shù)據(jù)不同，則進(jìn)行編程操作。步驟二，在執(zhí)行本次編程操作的同時(shí)，對下一位或多位待編程地址位進(jìn)行預(yù)讀；步驟三，將所得的結(jié)果保存在臨時(shí)存儲載體中，以供下一位或多位編程時(shí)調(diào)用；步驟四，在進(jìn)行本次編程操作之前，調(diào)用上一次編程操作期間預(yù)讀的數(shù)據(jù)，與本次要編程的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，利用比較模塊判斷相同的不進(jìn)行編程，否則要被編程。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述的地址轉(zhuǎn)換協(xié)議可以是在存儲器外部完成地址轉(zhuǎn)換運(yùn)算，也可以是在存儲器內(nèi)部完成地址轉(zhuǎn)換運(yùn)算。本發(fā)明提供一種降低相變存儲器編程功耗的系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)及方法能夠降低存儲芯片5(F。的功耗，提高了存儲單元的存儲壽命，同時(shí)擦、寫時(shí)間比讀的時(shí)間要長，因此該發(fā)明也可提高芯片的存儲速度。本發(fā)明不僅可以解決功耗問題，同時(shí)又不引起速度，密度等方面的惡性影響。圖1是本發(fā)明一種降低相變存儲器編程功耗的系統(tǒng)流程圖；圖2是本發(fā)明一種降低相變存儲器編程功耗的系統(tǒng)原理示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對技術(shù)方案的實(shí)施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述-本發(fā)明涉及一種降低相變存儲器編程功耗的方法。該方法稱為平行預(yù)讀編程方法。在進(jìn)行當(dāng)前編程操作的同時(shí)，預(yù)讀下一位或多位待編程的地址位，將其數(shù)據(jù)與待編程數(shù)據(jù)相比較如果待寫入數(shù)據(jù)與存儲器原始存入數(shù)據(jù)相同，則不進(jìn)行編程操作；如果待寫入數(shù)據(jù)與存儲器原始存入數(shù)據(jù)不同，則進(jìn)行編程操作。由于存儲器的狀態(tài)處于"0"與"1"兩種狀態(tài)，按照概率理論，待寫入數(shù)據(jù)與存儲器原始數(shù)據(jù)相同的概率為50%,故該方法能夠降低存儲芯片50%的功耗，提高了存儲單元的存儲壽命，同時(shí)擦、寫時(shí)間比讀的時(shí)間要長，因此該發(fā)明也可提高芯片的存儲速度。本發(fā)明提出使相變存儲器的預(yù)讀與編程同時(shí)進(jìn)行。考慮到相變存儲器編程時(shí)間人于相變存儲器讀取時(shí)間，且編程功耗也遠(yuǎn)大于讀取功耗。故而在針對本地址進(jìn)行編程的同時(shí)可以對下一地址或多個(gè)地址進(jìn)行預(yù)讀。將所得數(shù)據(jù)保存于寄存器中以供下一次編程操作調(diào)用。本發(fā)明采用兩個(gè)位線選通器件分別控制讀取模式和編程模式。由于本發(fā)明的思想是相變存儲器的預(yù)讀與編程同時(shí)進(jìn)行。如果按照常規(guī)的設(shè)計(jì)思路，由一個(gè)位線選通器件控制讀取模式與編程模式，那么無法實(shí)現(xiàn)預(yù)讀與編程同時(shí)進(jìn)行的操作。所以，必須采用兩個(gè)位線選通器件分別控制讀取模式和編程模式。由于在大規(guī)模存儲器中，占有大量面積的是存儲器陣列，位線選通器件在整個(gè)版圖設(shè)計(jì)中所占的面積幾乎可以忽略不計(jì)。所以，增加一個(gè)位線選通器件對面積的影響可以忽略不計(jì)。本發(fā)明中用于讀取模式的選通器件采用薄氧柵和低壓控制，以提高速度和降低功耗；用于編程模式的選通器件采用厚氧柵和高壓控制，以增加驅(qū)動電流。針對讀取模式，我們需要的是極高的速度和極地的功耗，另外需要降低讀取電流以防止讀破壞，采用薄氧器件和低壓控制可以實(shí)現(xiàn)上述目的。針對編程模式，我們需要的是大量的編程電流以使材料在晶態(tài)與非晶態(tài)間轉(zhuǎn)換。采用厚氧器件和高壓控制可以實(shí)現(xiàn)上述目的。本發(fā)明中采用地址轉(zhuǎn)換協(xié)議，使得前后兩次編程的地址必定出現(xiàn)在同一條字(位)線上。由于需要實(shí)現(xiàn)預(yù)讀與編程同時(shí)進(jìn)行的思想，那么在使一條字(位)線有效的同時(shí)，不可以使其他的字(位)線有效，否則就會引起讀寫串?dāng)_。所以預(yù)讀與編程的存儲單元必須處于同一個(gè)字(位)線的控制。通過地址轉(zhuǎn)換協(xié)議，可以使得前后兩次編程的地址必定出現(xiàn)在同一條字(位)線上。一方面，這個(gè)轉(zhuǎn)換協(xié)議可以在存儲器外部，由外部的控制使得存入存儲器的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)某種規(guī)律性，前后兩次編程數(shù)據(jù)處于同一字(位)線。另一方面，也可以由存儲器內(nèi)部邏輯控制電路完成地址轉(zhuǎn)換運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)上述功能。本發(fā)明針對上述地址轉(zhuǎn)換協(xié)議，采用蛇形數(shù)據(jù)存儲順序。首先數(shù)據(jù)沿字(位)線方向存儲，當(dāng)字(位)線方向數(shù)據(jù)都已存儲完成時(shí)，在',(位)線的末尾數(shù)據(jù)沿位(字)線方向存儲，然后再次沿字(位)線方向存儲。這樣可以保證前后兩次編程的地址必定出現(xiàn)在同一條字(位)線上。本發(fā)明還可以采用地址轉(zhuǎn)換協(xié)議，使得前后兩次編程的地址不出現(xiàn)在同一個(gè)存儲塊中。由于需要實(shí)現(xiàn)預(yù)讀與編程同時(shí)進(jìn)行的思想，在同一個(gè)存儲塊進(jìn)行連續(xù)兩個(gè)數(shù)據(jù)的存儲的話必須要滿足這兩個(gè)數(shù)據(jù)位于同一字(位)線這一條件。然而，如果前后兩次編程的地址不在同一存儲塊中，那么即無需滿足上述條件。采用地址轉(zhuǎn)換協(xié)議，使得前后兩次編程的地址不出現(xiàn)在同一個(gè)存儲塊中。一方面，這個(gè)轉(zhuǎn)換協(xié)議可以在存儲器外部，由外部的控制使得存入存儲器的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)某種規(guī)律性，前后兩次編程數(shù)據(jù)處于同一字(位)線。另一方面，也可以由存儲器內(nèi)部邏輯控制電路完成地址轉(zhuǎn)換運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)上述功能。為進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步，下面通過實(shí)施例描述本發(fā)明-請參照圖1所示平行預(yù)讀編程方式流程圖。假定現(xiàn)在要對相變存儲器寫入一個(gè)數(shù)據(jù)為01010001。首先對如果是第一次編程操作，則先對相變存儲器進(jìn)行預(yù)讀；如果不是第一次編程操作，則直接調(diào)用寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)比較。假定存儲器原有數(shù)據(jù)為01111010。如果寫入數(shù)據(jù)與原有數(shù)據(jù)相同，則不進(jìn)行讀寫操作，那么真正實(shí)行操作的是對bit〈0〉寫入"l"，對bit〈l〉寫入"0";對bit〈3〉寫入"0"，對bit〈5〉寫入"0"。在執(zhí)行編程操作的同時(shí)，對下一地址或多個(gè)地址進(jìn)行預(yù)讀操作，假定下一地址所讀數(shù)據(jù)為10001110。將該數(shù)據(jù)存入寄存器中，以供下一地址調(diào)用。這樣，從統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，寫入與原數(shù)據(jù)相同的數(shù)據(jù)與寫入與原數(shù)據(jù)不同的數(shù)據(jù)的概率是l:1，故而能夠節(jié)省50%的功耗。請參照圖2所示平行預(yù)讀編程方式的設(shè)計(jì)原理示意圖，包括整個(gè)存儲模塊100、寫驅(qū)動電路IIO、靈敏放大器1U、編程選通門112、讀選通門113，存儲單元114。可采用的編程順序如圖所示，呈"蛇"形。這樣不管何種情況都可以使得前后連續(xù)兩位的編程單元處于同一字(位)線。假定要編程(WL2，BL1)與(WL2，BL2)這兩個(gè)單元。則在編寫(WL2，BL1)這一單元的同時(shí)，靈敏放大器開始讀取(WL2,BL2)這一單元的阻值，并將阻值存入寄存器中。表l顯示了在編程(沐L2，BL1)這一個(gè)單元的時(shí)候，各條字線、位線的電平。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>以上實(shí)施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案。如，采用地址轉(zhuǎn)換協(xié)議，將前后兩個(gè)數(shù)據(jù)寫入不同的存儲塊中。這樣即避免了在預(yù)讀過程中出現(xiàn)讀寫串?dāng)_等特征均不脫離本發(fā)明精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。權(quán)利要求1.一種降低相變存儲器編程功耗的系統(tǒng)，其包括編程模塊及讀取模塊，其特征在于該系統(tǒng)進(jìn)一步包括預(yù)讀模塊，用于在在執(zhí)行本次編程操作的同時(shí)，對下一位或多位待編程地址位進(jìn)行預(yù)讀；比較模塊，用于比較待編程數(shù)據(jù)與存儲器原有數(shù)據(jù)是否相同；臨時(shí)存儲載體，用于保存預(yù)讀模塊所得的結(jié)果，以供下一位或多位編程時(shí)調(diào)用；地址轉(zhuǎn)換模塊，用于通過地址轉(zhuǎn)換協(xié)議，使得前后兩次編程的地址出現(xiàn)在同一條字線或位線上，或使得前后兩次編程的地址不出現(xiàn)在同一個(gè)存儲塊中；兩個(gè)位線選通器件，用于分別控制讀取模塊和編程模塊。2.如權(quán)利要求l所述的一種降低相變存儲器編程功耗的系統(tǒng)，其特征在于所述比較模塊包括比較電路。3.如權(quán)利要求1所述的一種降低相變存儲器編程功耗的的系統(tǒng)，其特征在于所述臨時(shí)存儲載體包括寄存器、靜態(tài)隨機(jī)存儲器、動態(tài)存儲器。4.如權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的一種降低相變存儲器編程功耗的的系統(tǒng)，其特征在于用于讀取模塊的位線選通器件采用薄氧柵和低壓控制，用于編程模塊的位線選通器件采用厚氧柵和高壓控制。5.如權(quán)利要求4所述的一種降低相變存儲器編程功耗的的系統(tǒng)，其特征在于所述地址轉(zhuǎn)換協(xié)議采用采用蛇形數(shù)據(jù)存儲順序。6.如權(quán)利要求4所述的一種降低相變存儲器編程功耗的的系統(tǒng)，其特征在于所述地址轉(zhuǎn)換模塊在相變存儲器外部，由外部的控制使得前后兩次編程數(shù)據(jù)處于同一字線或位線上。7.如權(quán)利要求4所述的一種降低相變存儲器編程功耗的的系統(tǒng)，其特征在于所述地址轉(zhuǎn)換模塊在相變存儲器內(nèi)部，由內(nèi)部的邏輯控制電路控制使得前后兩次編程數(shù)據(jù)處于同一字線或位線上；或者使得前后兩次編程數(shù)據(jù)處于不同的存儲塊中。8.如權(quán)利要求4所述的一種降低相變存儲器編程功耗的的系統(tǒng)，其特征在于在字線和位線分別設(shè)計(jì)靈敏放大器。9.一種應(yīng)用權(quán)利要求4所述系統(tǒng)降低相變存儲器編程功耗的方法，其特征在于該方法包括以下步驟步驟一，將待編程數(shù)據(jù)與存儲器原有數(shù)據(jù)進(jìn)行比較如果待寫入數(shù)據(jù)與存儲器原始存入數(shù)據(jù)相同，則不進(jìn)行編程操作；如果待寫入數(shù)據(jù)與存儲器原始存入數(shù)據(jù)不同，則進(jìn)行編程操作。.步驟二，在執(zhí)行本次編程操作的同時(shí)，對下一位或多位待編程地址位進(jìn)行預(yù)讀；步驟三，將所得的結(jié)果保存在臨時(shí)存儲載體中，以供下一位或多位編程時(shí)調(diào)用；步驟四，在進(jìn)行本次編程操作之前，調(diào)用上一次編程操作期間預(yù)讀的數(shù)據(jù)，與本次要編程的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，利用比較模塊判斷相同的不進(jìn)行編程，否則要被編程。10.如權(quán)利要求9所述的一種降低相變存儲器編程功耗的的方法，其特征在于所述的地址轉(zhuǎn)換協(xié)議可以是在存儲器外部完成地址轉(zhuǎn)換運(yùn)算，也可以是在存儲器內(nèi)部完成地址轉(zhuǎn)換運(yùn)算。全文摘要本發(fā)明涉及一種降低相變存儲器編程功耗的系統(tǒng)及方法，在進(jìn)行當(dāng)前編程操作的同時(shí)，預(yù)讀下一位或多位待編程的地址位，將其數(shù)據(jù)與待編程數(shù)據(jù)相比較如果待寫入數(shù)據(jù)與存儲器原始存入數(shù)據(jù)相同，則不進(jìn)行編程操作；如果待寫入數(shù)據(jù)與存儲器原始存入數(shù)據(jù)不同，則進(jìn)行編程操作。由于存儲器的狀態(tài)處于“0”與“1”兩種狀態(tài)，按照概率理論，待寫入數(shù)據(jù)與存儲器原始數(shù)據(jù)相同的概率為50％，故該方法能夠降低存儲芯片50％的功耗，提高了存儲單元的存儲壽命，同時(shí)擦、寫時(shí)間比讀的時(shí)間要長，因此該發(fā)明也可提高芯片的存儲速度。文檔編號G11C16/06GK101329907SQ200810040950公開日2008年12月24日申請日期2008年7月24日優(yōu)先權(quán)日2008年7月24日發(fā)明者晟丁,波劉,宋志棠,封松林,蔡道林,陳小剛,陳邦明申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所