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基于自旋转移矩效应(STT,Spin Torque Transfer)的磁随机存储器(MRAM,Magnetic Random Access Memory)具有读写速度快、功耗低、集成程度高和抗辐射性强等优点。作为新兴的非易失性存储器,STT-MRAM经过不断改进后,未来有望成为“通用型存储器”。但是随着尺寸越来越小,且存储阵列的密度越来越高,STT-MRAM的读写错误率、寿命等可靠性问题也逐渐明显。本文针对STT-MRAM的上述问题展开研究,具体内容如下:1.针对STT-MRAM在写入过程中容易出现误翻转的问题,设计了一种能通过光驱动的磁隧道结(MTJ,Magnetic Tunnel Junction)。该隧道结的自由层由感光材料制作而成,通过控制激光能量密度的大小实现信息的快速写入。理论推导结果表明:通过光控方式对MTJ器件进行信息写入,能明显减少读与写之间的干扰。并通过三温度模型和逆法拉第效应对自由层的磁化状态进行仿真,探究了信息写入的最佳激光条件。仿真结果表明:利用激光控制MTJ器件写入的方式可将写入时间控制在皮秒级。2.针对STT-MRAM写入电流密度过大的问题,建立了基于自热效应的经时介质击穿模型(TDDB,Time Dependence Dielectric Breakdown)。用COMSOL仿真了MTJ器件的自热效应,仿真结果表明:当应力电压为0.5 V~1.5 V时,无论在平行状态还是反平行状态下,MTJ器件的温度升高值均能达到200℃左右,并利用数据分析软件拟合出了MTJ器件在不同状态下温度升高与外加应力电压的关系。其次,结合MTJ器件自热效应,对经时介质击穿寿命模型进行修正,并推导出不同状态下新的寿命模型,且新寿命模型与现有的实验数据拟合度较高;利用新模型对MTJ器件的寿命进行预测,在平行状态下及反平行状态下较原有模型均降低了几个数量级,表明MTJ器件的自热效应能明显减小寿命。最后设计了STT-MRAM可靠性写入电路,通过控制写入电流降低MTJ器件自热效应对STT-MRAM的寿命影响。3.针对STT-MRAM读写错误率问题,在STT-MRAM存储阵列中增加了纠错模块。利用信道中的信息传输过程模拟了存储器数据的读出与写入,并将信息传输过程中的编码和译码过程展开详细讨论。通过MATLAB进行纠错算法的仿真,构造了低密度奇偶检验(LDPC,Low Density Parity Check)矩阵,采用LU分解算法进行编码,LLR BP算法进行译码。对比和分析了未经纠错模块与经过LDPC纠错纠错模块的比特错误率(BER,Bit Error Rate),仿真结果表明:经过LDPC纠错后的误码率可以降低五个数量级左右。此外,将不同的码长、码率及迭代次数的情况下LDPC码的纠错能力进行对比,结果表明码长越长、码率越小、迭代次数越多时,误码率越低。因此纠错模块能有效提高STT-MRAM阵列中的误码率。4.针对光控MTJ器件的设计及对MRAM的可靠性研究,提出了光辅助可靠性写入电路,该电路通过光栅耦合器提供所需要的激光光源辅助STT-MRAM进行信息的写入。仿真结果表明所提出的电路能降低STT-MRAM的写入错误率,提高了可靠性。