一種磁隨機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)及其讀取操作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體，集成電路芯片設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種磁隨機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)及其讀取操作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻式隨機(jī)存儲(chǔ)器(Spin Torque Transfer Magnetic RandomAccess Memory, STT-MRAM)是一項(xiàng)跨學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的綜合工程，學(xué)科跨度大，工程復(fù)雜性高，它概括了物理，材料學(xué)科，電子工程和半導(dǎo)體科學(xué)，以及磁性學(xué)科等多門(mén)學(xué)科領(lǐng)域。
[0003]磁隨機(jī)存儲(chǔ)器是由特殊的磁性材料制成極小尺寸的磁元體，并將磁元體集成到半導(dǎo)體工藝中制成磁隨機(jī)存儲(chǔ)芯片，第一代磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)是在多個(gè)磁元體組成，每個(gè)磁元體附近有兩根導(dǎo)線，在寫(xiě)操作時(shí)，電流通過(guò)導(dǎo)線產(chǎn)生兩個(gè)磁場(chǎng)，該磁元體在磁場(chǎng)作用下改變磁體中磁極方向，通過(guò)導(dǎo)線的較大的電流可以有兩個(gè)相反的方向，使得磁體中呈現(xiàn)兩個(gè)不同磁極方向，從而達(dá)到兩種不同的磁阻值狀態(tài):低磁阻狀態(tài)為“0”，高磁阻狀態(tài)為“I”；由于磁場(chǎng)會(huì)對(duì)臨近的磁元體產(chǎn)生作用，使得這些磁元體狀態(tài)不穩(wěn)定，隨著半導(dǎo)體工藝提高每個(gè)存儲(chǔ)單元的尺寸越來(lái)越小，基于這些磁元體的存儲(chǔ)單元更加不穩(wěn)定。
[0004]自旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻式隨機(jī)存儲(chǔ)器(STT-MRAM)同樣基于磁元體，但它們的此材料與結(jié)構(gòu)與第一代不同，第二代磁存儲(chǔ)器(STT-MRAM)依靠自旋動(dòng)量轉(zhuǎn)移寫(xiě)入信息，它完全不同于傳統(tǒng)的第一代存儲(chǔ)器(MRAM)，它是將一個(gè)更小的電流直接流過(guò)這個(gè)磁元體(MTJ)使其改變狀態(tài)，電流通過(guò)MTJ的方向不同是其呈現(xiàn)“O”和“I”狀態(tài)，由于沒(méi)有磁場(chǎng)的干擾，磁元體狀態(tài)更加穩(wěn)定，每個(gè)存儲(chǔ)單元的尺寸可以越來(lái)越小。同時(shí)也簡(jiǎn)化的電路設(shè)計(jì)和減小功耗，寫(xiě)入每個(gè)數(shù)據(jù)位所需的功耗比MRAM低一個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0005]與閃存(Flash Memory)相比，STT-MRAM的寫(xiě)入/讀取性能更佳，因?yàn)樗膶?xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)不要求高電壓，耗電量低，寫(xiě)入/讀取時(shí)間極短，同時(shí)保持閃存所具有的非揮發(fā)特性，既能夠在關(guān)掉電源后仍可以保持鎖存儲(chǔ)內(nèi)容的完整性，此外，由于改變磁化方向的次數(shù)沒(méi)有限制，因此寫(xiě)入次數(shù)也為無(wú)限次。
[0006]STT-MRAM 擁有靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(Static Random Access Memory, SRAM)的高速讀取寫(xiě)入能力和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(Dynamic Random Access Memory, DRAM)的高集成度，而且可以無(wú)限次地重復(fù)擦寫(xiě)。STT-MRAM無(wú)需動(dòng)態(tài)刷新，能夠在非激活狀態(tài)下關(guān)閉，可以大幅降低系統(tǒng)功耗。STT-MRAM具有高速存取功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種磁隨機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)及其讀取操作方法，其目的在于產(chǎn)生用于STT-MRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)中差分信號(hào)放大器所需的參考信號(hào)以及讀操作控制電路和方法來(lái)減少功耗。
[0008]本發(fā)明提供了一種磁隨機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)，包括K個(gè)存儲(chǔ)模塊，K個(gè)信號(hào)放大器SA，一個(gè)參考信號(hào)產(chǎn)生器，字地址控制驅(qū)動(dòng)器，列地址控制驅(qū)動(dòng)器以及讀控制器:所述字地址控制驅(qū)動(dòng)器用于在控制信號(hào)RDCTL的控制下根據(jù)字譯碼地址WDECXl:m>輸出m路字地址譯碼控制信號(hào)WLN〈l:m> ;所述列地址控制驅(qū)動(dòng)器用于在控制信號(hào)RDCTL的控制下根據(jù)列譯碼地址⑶EC〈l:n>輸出η路列地址譯碼控制信號(hào)CS〈l:n> ;所述讀控制器的第一輸入端用于接收讀操作控制信號(hào)RDEN，所述讀控制器的第二輸入端用于接收K個(gè)信號(hào)放大器反饋的完成信號(hào)DONE，所述讀控制器用于根據(jù)所述讀操作控制信號(hào)RDEN和所述完成信號(hào)DONE輸出控制信號(hào)RDCTL ;所述K個(gè)存儲(chǔ)模塊依次為第一存儲(chǔ)模塊，第二存儲(chǔ)模塊，……第K/2存儲(chǔ)模塊，第(K/2+1)存儲(chǔ)模塊，……第K存儲(chǔ)模塊；其中，所述第一存儲(chǔ)模塊的第一輸入端用于接收m路字地址譯碼控制信號(hào)WLN〈1:m>，所述第一存儲(chǔ)模塊的第二輸入端用于接收η路列地址譯碼控制信號(hào)CS〈1:n>，所述第一存儲(chǔ)模塊的第三輸入端用于接收限流CLMP信號(hào)，所述第一存儲(chǔ)模塊的第四輸入端用于接收控制信號(hào)RDCTL ;所述第二存儲(chǔ)模塊的第一輸入端用于接收m路字地址譯碼控制信號(hào)WLN〈1:m>，所述第二存儲(chǔ)模塊的第二輸入端用于接收η路列地址譯碼控制信號(hào)CS〈1:n>，所述第二存儲(chǔ)模塊的第三輸入端用于接收CLMP信號(hào)，所述第二存儲(chǔ)模塊的第四輸入端用于接收控制信號(hào)RDCTL ;……依此類推，所述第K存儲(chǔ)模塊的第一輸入端用于接收m路字地址譯碼控制信號(hào)WLN〈1:m>，所述第K存儲(chǔ)模塊的第二輸入端用于接收η路列地址譯碼控制信號(hào)CS〈1:n>，所述第K存儲(chǔ)模塊的第三輸入端用于接收CLMP信號(hào)，所述第K存儲(chǔ)模塊的第四輸入端用于接收控制信號(hào)RDCTL ;所述參考信號(hào)產(chǎn)生器的第一輸入端用于接收m路字地址譯碼控制信號(hào)WLN〈1:m>，所述參考信號(hào)產(chǎn)生器的第二輸入端用于接收外部控制信號(hào)REF，所述參考信號(hào)產(chǎn)生器的第三輸入端用于接收限流控制信號(hào)CLMP，所述參考信號(hào)產(chǎn)生器的第四輸入端用于接收控制信號(hào)RDCTL ;所述參考信號(hào)產(chǎn)生器包括高磁阻參考信號(hào)產(chǎn)生器H和低磁阻參考信號(hào)產(chǎn)生器L，所述高磁阻參考信號(hào)產(chǎn)生器用于產(chǎn)生第一路參考信號(hào)ORFh，所述低磁阻參考信號(hào)產(chǎn)生器用于產(chǎn)生第二路參考信號(hào)ORFh ;所述K個(gè)信號(hào)放大器SA依次為第一信號(hào)放大器，第二信號(hào)放大器，……第K/2信號(hào)放大器，第(K/2+1)信號(hào)放大器，……第K信號(hào)放大器；其中，所述第一信號(hào)放大器的第一輸入端連接至所述第一存儲(chǔ)模塊的數(shù)據(jù)輸出端，所述第二信號(hào)放大器的第一輸入端連接至所述第二存儲(chǔ)模塊的數(shù)據(jù)輸出端，……依此類推，所述第K信號(hào)放大器的第一輸入端連接至所述第K存儲(chǔ)模塊的數(shù)據(jù)輸出端；所述第一信號(hào)放大器的第二輸入端、所述第二信號(hào)放大器的第二輸入端、……第K/2信號(hào)放大器的第二輸入端均連接所述第一路參考信號(hào)ORFh和所述第二路參考信號(hào)ORFh中的任意一路參考信號(hào)；所述第K/2+1信號(hào)放大器的第二輸入端、第K/2+2信號(hào)放大器的第二輸入端、……第K信號(hào)放大器的第二輸入端均連接所述第一路參考信號(hào)ORFh和所述第二路參考信號(hào)ORFh中的另一路參考信號(hào)；1(個(gè)信號(hào)放大器的使能端En均用于接收啟動(dòng)信號(hào)SAEN ;K個(gè)信號(hào)放大器的輸出端用于輸出K位數(shù)據(jù)。
[0009]更進(jìn)一步地，所述高磁阻參考信號(hào)產(chǎn)生器和所述低磁阻參考信號(hào)產(chǎn)生器的結(jié)構(gòu)相同，且所述高磁阻參考信號(hào)產(chǎn)生器的第一輸出端Con與所述低磁阻參考信號(hào)產(chǎn)生器的第一輸出端Con相連，所述高磁阻參考信號(hào)產(chǎn)生器的第二輸出端用于輸出所述第一路參考輸出信號(hào)ORFh，所述低磁阻參考信號(hào)產(chǎn)生器的第二輸出端用于輸出所述第二路參考輸出信號(hào)ORFh0
[0010]更進(jìn)一步地，高磁阻參考信號(hào)產(chǎn)生器包括參考電流源、參考限流器、參選器以及m個(gè)參考單元；每個(gè)參考單元的輸入端通過(guò)參考位線rf連接至所述參選器的一端，每個(gè)參考單元的輸出端接地；所述參選器的另一端通過(guò)連接線CON與所述參考限流器的一端相連；參考限流器的另一端通過(guò)參考線rl與所述可控參考電流源的一端連接，所述可控參考電流源的另一端與通用電壓源VDD相連；所述可控參考電流源的控制端用于連接控制信號(hào)RDCTL，所述參考限流器的控制端用于連接限流控制信號(hào)CLMP ;所述可控參考電流源與所述參考限流器的連接端作為信號(hào)輸出端ORFh ;111個(gè)參考單元的控制端分別連接m條字線，依次為wl〈l>到wl〈m>，m條字線分別控制m個(gè)參考單元，每個(gè)參考單元由相對(duì)應(yīng)的字線wl控制并只在讀操作中廣生參考電流。
[0011]更進(jìn)一步地，每個(gè)參考單元包括磁性元件和選擇裝置；所述選擇裝置為晶體管，晶體管的控制端柵極與字線WLN相接，晶體管的漏極接地線GND，晶體管的源極與所述磁阻性元件的一端連接，所述磁性元件的另一端耦合至所述參考位線rf。
[0012]更進(jìn)一步地，所述高磁阻參考信號(hào)產(chǎn)生器中的磁性元件的預(yù)制電阻值呈高電阻值，所述低磁阻參考信號(hào)產(chǎn)生器中的磁性元件的預(yù)制電阻值呈低電阻值。所述高磁阻參考信號(hào)產(chǎn)生器中的MTJH，所述低磁阻參考信號(hào)產(chǎn)生器中的呈現(xiàn)低電阻值MUL，其邏輯值分別表示邏輯“I”或邏輯“0”，高電阻值和低電阻值是預(yù)置好的并且是固定的，在正常存儲(chǔ)器讀寫(xiě)操作中不能更改，并且參考單元中只在讀操作中使用。
[0013]更進(jìn)一步地，工作時(shí)，K個(gè)信號(hào)放大器中有K/2個(gè)信號(hào)放大器共享第一路參考信號(hào)，另K/2個(gè)信號(hào)放大器共享第二路參考信號(hào)，節(jié)省了 K位存儲(chǔ)器尺寸，加快了讀取速度并節(jié)省了功耗。所述高磁阻參考信號(hào)產(chǎn)生器和所述低磁阻參考信號(hào)產(chǎn)生器可以安排在K個(gè)磁隨機(jī)存儲(chǔ)模塊中任何物理位子。
[0014]更進(jìn)一步地，當(dāng)讀出操作開(kāi)始，所述讀控制器的第一輸入端接收的讀操作控制信號(hào)RDEN變?yōu)楦唠娖?，所述讀控制器輸出的控制信號(hào)RDCTL變?yōu)楦唠娖?，開(kāi)始讀取所需數(shù)據(jù)；當(dāng)信號(hào)放大器所要求的數(shù)據(jù)鎖存在其輸出端時(shí)會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)讀取完成信號(hào)DONE，該完成信號(hào)DONE為高電平使得所述讀控制器輸出的控制信號(hào)RDCTL變?yōu)榈碗娖健?br>[0015]本發(fā)明還提供了一種基于上述的磁隨機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)的讀取操作方法，包括下述步驟:
[0016]當(dāng)讀出操作開(kāi)始時(shí)，讀操作控制信號(hào)RDEN為高電平，由于完成信號(hào)DONE為低電平，所述讀控制器輸出的控制信號(hào)RDCTL為高電平，列譯碼地址有效，在列譯碼地址⑶EC〈l:n>中的第i個(gè)列譯碼地址⑶EC〈i>轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，其余n_l位為低電位，同時(shí)字譯碼地址WDEC〈l:m>中第j個(gè)字譯碼地址WDEC〈j>轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，其余m_l位為低電位；使得第i路列地址譯碼控制信號(hào)CS〈i