基于STT-MRAM的高可靠性、多位并行读出存内计算方案

作者：袁磊; 陈俊杰; 卓鹏福; 王少昊^*

来源：微电子学与计算机, 2022, 39(08): 119-126.

DOI：10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0079

• 磁随机存储器
• 存内计算
• 高可靠性
• 多位并行读出

存内计算技术是解决传统冯·诺伊曼计算架构面临瓶颈的最有效的技术路径之一.基于自旋转移矩-磁随机存储器(STT-MRAM)的存内计算方案尽管具有非易失性、低功耗、高耐久性等优势，但却因其较小的感测裕度对灵敏放大器(SA)设计的读可靠性提出了挑战.尽管基于两个晶体管和两个磁隧道结(2T2MTJ)单元的存内计算方案能有效提升读感测裕度与位运算正确率，存储阵列的面积却成倍增加.本文针对1T1MTJ单元，提出一种高可靠性、多位并行读出存内计算方案，采用了三组参考单元支路结构，结合改进型多位电流型灵敏放大器(MBCSA)进行支路电流运算.结合MTJ紧凑模型与SMIC 40nm工艺的仿真结果表明，在典型条件下，该方案的读操作正确率比采用预充电电流型灵敏放大器(PCSA)的1T1MTJ方案和2T2MTJ方案分别提升了4.07%和1.65%;在小磁阻比、低电源电压条件下也展现了更高的读操作正确率与良好的鲁棒性.此外，该方案可在6 ns周期内同时对两组存储单元进行“AND”、“OR”逻辑运算，实现了四种位逻辑运算结果的多位并行读出.

• 单位
  福州大学