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传统存储器在发展上遇到经济与技术方面的瓶颈,3D-Xpoint相变存储器作为新型存储器之一,极有可能成为下一个存储器发展热点。与传统相变存储器相比,3D-Xpoint相变存储器在阵列结构和操作方式上都有了很大不同:传统相变存储器中存储单元通常为1T1R结构,是三端器件,选通激励与编程激励可同时施加在存储单元的不同端口;3D-Xpoint相变存储器存储单元为1S1R结构,是两端器件,所需选通激励与编程激励类型不同,在进行操作时仅能从存储单元两端输入激励。同时由于3D-Xpoint相变存储阵列密度增大,阵列的寄生电容较传统相变存储器更大,应用传统相变存储器读写方案及其外围电路进行读、写操作的延时较大。因此需提出一种适用于1S1R相变存储单元的读写控制方案,并基于该读写控制方案设计外围电路实现3D-Xpoint相变存储器的快速读、写、擦功能。本文首先根据3D-Xpoint相变存储阵列特性及架构特点,建立了3D-Xpoint相变存储阵列的Verilog-A行为级模型。然后根据3D-Xpoint相变存储器中存储单元的操作方式及结构特点提出了1S1R相变存储单元读写控制方案。该读写控制方案提出了通过切换输入激励来实现存储单元选通及编程的操作方式;并根据新型选通器件特性,确定了通过判断选通管状态读得数据的读操作方案,扩大了数据判断阻值窗口,降低了误读率;同时根据读操作方案的特点,结合了读过程与选通过程,简化了先读后写编程操作方案。此后根据1S1R相变存储单元读写控制方案,设计实现了3D-Xpoint相变存储器外围电路,该外围电路可划分为数字控制模块、编程电流源模块、电压偏置模块、读电路模块。数字控制模块基于状态机逻辑及环形振荡器进行设计,实现了1S1R相变存储单元读写控制方案中的各项步骤,是实现读写控制方案的核心模块;编程电流源模块通过分流电路减小Reset编程激励下降沿时间,减小了寄生电容的影响;读电路模块基于全差分灵敏放大器读出数据,并通过预充电电路,加速了读电压对寄生电容充电的过程,缩短了读操作时间;各项激励通过开关管与存储单元连接,根据数字控制模块输出的控制信号切换输入激励,完成对应操作。最后基于CSMC0.18μm CMOS工艺进行了外围电路的整体后端设计。联合3D-Xpoint相变存储阵列的行为级模型对3D-Xpoint相变存储器外围电路进行仿真,仿真结果表明该外围电路可成功实现3D-Xpoint相变存储器的读、写、擦功能。当位线寄生电容为2.5pF时,该外围电路读操作时长为60ns左右,写操作时长最短为60ns,最长为280ns,擦操作时长最短为60ns,最长为100ns。