基于阻变器件的多位全加器及其操作方法技术

公开了一种基于阻变器件的全加器及其操作方法。利用基于阻变器件的交叉阵列构成多位全加器电路，其中本位和数据非挥发性存储于交叉阵列主对角线上，进位数据存储于主对角线两侧相邻单元。利用存储回路(串扰回路)的连通与否存储进位数据。本技术大幅简化了多位全加器电路。减少进位信号产生的额外电路，减少电路延时和芯片面积，并使加法器具有非挥发性存储的能力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于阻变器件的多位全加器及其操作方法
本技术涉及半导体集成电路
，特别涉及一种基于阻变器件交叉阵列的多位全加器及其操作方法。
技术介绍
尽管当前非挥发性存储器中的主流：NAND闪存有高密度、低成本等优势，NAND闪存面临擦写次数不足(＜1e5)、写入速度慢(～1ms)、操作电压高(～15V)、尺寸继续缩小困难等诸多问题，对可替代NAND闪存的新型存储器研究从未停止。其中阻变器件由于可擦写次数多(＞1e9)、擦写速度快(～10ns)、操作电压低(＜3V)，同时工艺简单且CMOS兼容、便于缩小(单元占用面积～4F2)等诸多优势吸引了研究界、工业界的广泛关注。阻变器件的典型结构是类似电容的电极-阻变层-电极三层结构。阻变层的电阻值可在电压或电流激励下发生改变。阻变器件按电压操作方式有单极、双极两种工作模式。单极模式的阻变现象依赖于电压激励的大小，与方向无关；双极模式的阻变现象取决于所加电压激励的大小和方向。阻变器件目前主要的应用是阻变存储器。阻变存储器的原理是利用夹在两个电极之间阻变层电阻值的不同来存储不同的信息，所存储信息通过对电极施加电压脉冲或直流扫描改变阻变层阻值来改写。除了在阻变存储器方面的应用，由于阻变器件结构简单性能出色，其在逻辑器件、神经元器件等等诸多方面都十分有潜力。本技术提出了一种基于阻变器件交叉阵列的全加器实现方法。加法器是数字电路中用于执行加法运算的部件，是构成电子计算机核心微处理器中算术逻辑单元的基础。加法器在电子系统中主要负责计算地址、索引等数据。此外，加法器也是其他一些硬件，例如二进制乘法器的重要组成部分。加法器分为半加器和全加器，半加器实现两个二进制数的相加功能，全加器除半加器的功能外，还在每位有进位输入、进位输出的功能，实现完整的运算。当前数字电路中使用的加法器主要用CMOS逻辑电路实现，实现方法有互补传输管逻辑(CPL)、双传输管逻辑(DPL)等多种，一个用CMOS逻辑实现的一位全加器就需要20个左右的晶体管，要构成四位或者更多位数的全加器通常需要超过线性递增的晶体管数量，占用芯片面积大，大量晶体管的使用也使降低功耗变得困难。
技术实现思路
考虑到现有技术中的一个或多个问题，提出了基于阻变器件的多位全加器及其操作方法。根据本技术的一个方面，提出了一种基于阻变器件的多位全加器，包括：平行排列的N条字线，N大于等于3并且所述N条字线中的第1到第N-1条分别对应N-1位加数和N-1位被加数中的一方；N个字线选通器件，分别与相应的字线连接；与所述N条平行排列的字线交叉设置的平行排列的N条位线，所述N条位线中的第1到第N-1条分别对应N-1位加数和N-1位被加数中的另一方；N个位线选通器件，分别与相应的位线连接；N*N个阻变单元，每个阻变单元位于相应字线和位线的交叉处并且两端分别与相应字线和位线连接，其中每个阻变单元具有第一阻态、第二阻态、第三阻态和第四阻态，且第一阻态的阻值小于第二阻态的阻值，第二阻态的阻值小于第三阻态的阻值，第三阻态的阻值小于第四阻态的阻值，第一和第三阻态表示“1”，第二和第四阻态表示“0”；其中，通过字线输入的数据中，输入1对应正电平脉冲，输入0代表零电平；通过位线输入的数据中，输入1代表负电平脉冲，输入0代表零电平，加数的第i位和被加数的第i位的本位和以非易失性的方式存储在阻变单元阵列的第i行第i列的阻变单元中，而进位值根据阻变单元阵列中的第i行第i列的阻变单元、第i行第i+1列的阻变单元、第i+1行第i列的阻变单元三者的阻态确定。根据一些实施例阻变单元阵列中的第i行第i列的阻变单元、第i行第i+1列的阻变单元、第i+1行第i列的阻变单元三者的阻态均为低阻态时，确定进位值为1。根据一些实施例阻变单元阵列中的第i行第i列的阻变单元、第i行第i+1列的阻变单元、第i+1行第i列的阻变单元中的任何一个的阻态为高阻态时，确定进位值为0。根据一些实施例在第i条字线或位线上施加一个不至于引起阻值明显变化的读取电压，如果读到显著电流，则说明第i-1位的进位值为1，如果没有读出显著电流，则说明第i-1位的进位值为0。根据一些实施例所述选通器件具体为选通晶体管或传输门。根据一些实施例所述阻变单元阵列中的全部阻变器件在执行加法前被复位至第四阻态。根据一些实施例在全加结束时，通过在字线上施加不至于引起阻值显著变化的读取电压可一次读出全部本位和，这一和与最高位进位一起共同构成全加器的完整运算结果。根据一些实施例对字线施加一个正电平或对位线施加一个负电平将使阻变单元的阻值往低阻值方向移动。根据一些实施例通过施加在字线和位线上的电脉冲的宽度来调制阻变单元的阻值，并且字线和位线上的电压脉冲不同时施加。在本技术的另一方面，提出了一种基于阻变器件的多位全加器的操作方法，所述多位全加器包括：平行排列的N条字线，N大于等于3并且所述N条字线中的第1到第N-1条分别对应N-1位加数和N-1位被加数中的一方；N个字线选通器件，分别与相应的字线连接；与所述N条平行排列的字线交叉设置的平行排列的N条位线，所述N条位线中的第1到第N-1条分别对应N-1位加数和N-1位被加数中的另一方；N个位线选通器件，分别与相应的位线连接；N*N个阻变单元，每个阻变单元位于相应字线和位线的交叉处并且两端分别与相应字线和位线连接，其中每个阻变单元具有第一阻态、第二阻态、第三阻态和第四阻态，且第一阻态的阻值小于第二阻态的阻值，第二阻态的阻值小于第三阻态的阻值，第三阻态的阻值小于第四阻态的阻值，第一和第三阻态表示“1”，第二和第四阻态表示“0”；所述方法包括步骤：通过字线输入数据，其中输入1对应正电平脉冲，输入0代表零电平；通过位线输入数据，其中输入1代表负电平脉冲，输入0代表零电平；将加数的第i位和被加数的第i位的本位和以非易失性的方式存储在阻变单元阵列的第i行第i列的阻变单元中；根据阻变单元阵列中的第i行第i列的阻变单元、第i行第i+1列的阻变单元、第i+1行第i列的阻变单元三者的阻态确定进位值。本技术中的方案，利用基于阻变器件的交叉阵列构成多位全加器电路，其中本位和数据非挥发性存储于交叉阵列主对角线上，进位数据存储于主对角线两侧相邻单元，利用存储回路的连通与否存储进位数据，大幅简化了多位全加器电路。附图说明图1为本技术中阻变器件交叉阵列的示意图。图2为本技术中阻变器件的直流I-V特性。图3为本技术中阻变器件的四个阻态阻值分布图。图4为本技术中阻变器件随外加Set电压脉冲电压阻值变化的结果。图5为本技术中阻变器件四个阻态对应的逻辑值设定。具体实施方式下面将详细描述本专利技术的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本专利技术。在以下描述中，为了提供对本专利技术的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本专利技术。在其他实例中，为了避免混淆本专利技术，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本专利技术至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都本文档来自技高网...

【技术保护点】
PCT国内申请，权利要求书已公开。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种基于阻变器件的多位全加器，包括：平行排列的N条字线，N大于等于3并且所述N条字线中的第1到第N-1条分别对应N-1位加数和N-1位被加数中的一方；N个字线选通器件，分别与相应的字线连接；与所述N条平行排列的字线交叉设置的平行排列的N条位线，所述N条位线中的第1到第N-1条分别对应N-1位加数和N-1位被加数中的另一方；N个位线选通器件，分别与相应的位线连接；N*N个阻变单元，每个阻变单元位于相应字线和位线的交叉处并且两端分别与相应字线和位线连接，其中每个阻变单元具有第一阻态、第二阻态、第三阻态和第四阻态，且第一阻态的阻值小于第二阻态的阻值，第二阻态的阻值小于第三阻态的阻值，第三阻态的阻值小于第四阻态的阻值，第一和第三阻态表示“1”，第二和第四阻态表示“0”；其中，通过字线输入的数据中，输入1对应正电平脉冲，输入0代表零电平；通过位线输入的数据中，输入1代表负电平脉冲，输入0代表零电平，加数的第i位和被加数的第i位的本位和以非易失性的方式存储在阻变单元阵列的第i行第i列的阻变单元中，而进位值根据阻变单元阵列中的第i行第i列的阻变单元、第i行第i+1列的阻变单元、第i+1行第i列的阻变单元三者的阻态确定。2.如权利要求1所述的多位全加器，其中阻变单元阵列中的第i行第i列的阻变单元、第i行第i+1列的阻变单元、第i+1行第i列的阻变单元三者的阻态均为低阻态时，确定进位值为1。3.如权利要求1所述的多位全加器，其中阻变单元阵列中的第i行第i列的阻变单元、第i行第i+1列的阻变单元、第i+1行第i列的阻变单元中的任何一个的阻态为高阻态时，确定进位值为0。4.如权利要求1所述的多位全加器，其中在第i条字线或位线上施加一个不至于引起阻值明显变化的读取电压，如果读到显著电流，则说明第i-1位的进位值为1，如果没有读出显著电流，则说明第i-1位的进位值为0。5.如权利要求1所述的多位全加器，其中所述选通...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘力锋，后羿，陈冰，高滨，韩德栋，王漪，刘晓彦，康晋锋，程玉华，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11