基于忆阻器的存储器内计算架构制造技术

本发明专利技术属于集成电路技术领域，具体为一种基于忆阻器的存储器内计算架构。本发明专利技术的基于忆阻器的存储器内计算架构包括忆阻器阵列和辅助电路；忆阻器阵列是一个交叉阵列，由若干水平方向的互连线和若干竖直方向的互连线互相交叉构成，每个交叉处有一个忆阻器单元；忆阻器阵列实现存储内计算时，动态划分为存储区和计算区；计算区用于实现与、或、非、与非、或非、异或这些逻辑运算；计算区的运算结果保存在存储区；辅助电路用于进行除与、或、非、与非、或非、异或等逻辑运算之外的复杂运算包括数据处理、加密运算等。本发明专利技术可用于物联网终端架构中替代传统的物联网终端架构中的SRAM和Flash模块。本发明专利技术有利于改善物联网终端的低功耗和信息安全特性。

【技术实现步骤摘要】
基于忆阻器的存储器内计算架构
本专利技术属于微电子
，具体涉及一种基于忆阻器的存储器内计算架构。
技术介绍
随着计算机、互联网、通信和集成电路等技术的发展，物联网（IoT，InternetofThings）在医疗健康、工业、交通、家居、金融等方面的应用越来越广泛。我国2016年物联网市场规模已经超过9000亿元，预计到2020年将超过1.5万亿元。在物联网架构中，终端是物联网中连接传感网络层和传输网络层，实现采集数据及向网络层发送数据的设备，担负着数据采集、初步处理、加密、传输等多种功能。典型的物联网终端是基于MCU（微控制单元，俗称单片机）构建的。除了MCU，终端还包括传感器、无线收发和电池等模块。目前，国内外各大公司包括华为、谷歌、亚马逊和苹果等越来越重视终端产品，原因在于：随着人们对于终端产品需求的增加以及产品更新换代速度的提升，硬件终端市场的容量也得到了很大程度上的拓展；终端是拓展其他业务的平台，以智能手机为载体的服务包括O2O、游戏、在线直播、社交、出行等等快速崛起让很多企业看到了终端的价值。物联网终端最重要的两个诉求是信息安全和低功耗。终端大都部署在无人监控的环境，具有能力脆弱、资源受限等特点。当终端连接到物联网时，其采集的信息可能被黑客窃取。因此，传感器采集到的信息必须经过MCU处理和加密之后才通过无线收发模块交给物联网，这样一方面滤除噪声等无用信息，减少发送的信息量，节省功耗；另一方面，信息经过加密之后，能够降低被窃取的风险。终端的低功耗诉求主要来源于其依靠电池供电，而电池的容量决定了终端的使用寿命。在一些环境恶劣的使用场合，物联网终端低功耗需求是工作时长达到10年左右。但是，目前物联网终端的核心部分MCU仍然采用传统的冯洛伊曼架构，这给终端的功耗和安全性带来很大的影响。传感器采集到的信息交给MCU处理，在处理之前，CPU需要先通过总线从Flash中读取代码；在处理过程中，计算的中间数据一般通过总线保存在SRAM中；在处理完之后，数据一方面通过总线写入Flash保存，另一方面通过总线交给IO，最后由无线收发模块发送给物联网。在整个信息处理过程中，由于用于计算的CPU和用于存储数据和代码的SRAM和Flash在物理上是分开的，数据和代码需要经过总线进行多次搬运，这样，一方面带来功耗的增加，另一方面，数据容易通过总线被某些端口恶意监听窃取，给安全性带来不利影响。忆阻器（memristor）兼具存储和计算的特性，为克服冯洛伊曼架构的缺陷、改善物联网终端的能效和安全性提供了希望。作为除电阻、电容和电感之外的“第四种无源器件”，忆阻器的概念是由华裔科学家蔡少棠（LeonChua）提出，来描述电荷与磁通量之间的非线性关系。直到2008年，惠普（HP）的科学家在实验中发现TiOx具有忆阻器的特性。忆阻器具有非易失、单元结构简单（两端器件）、微缩性好和与标准CMOS工艺兼容性好等优点，因此，忆阻器可以取代flash实现片上高密度存储。除了存储，memristor在实现非易失逻辑和神经网络计算方面也表现出优势，有望克服传统冯诺依曼架构的缺陷。国内外采用忆阻器实现非易失逻辑的代表性工作可以分为几类：蕴含逻辑（implylogic）、忆阻辅助逻辑（Memristor-AidedLogic，简称MAGIC）、非易失TCAM（三态内容存储器）和非易失SRAM（静态存储器）、有比逻辑（ratioedlogic）、阈值逻辑（memristivethresholdlogic）以及混合逻辑（memristor-CMOSHybridLogic）。蕴含逻辑最早由惠普的研究人员提出，后来国内外有大量的研究人员跟进，包括华中科技大学、北京大学、国防科技大学、仁川大学、加州大学等等。蕴含逻辑的输入和输出都存储在参与运算的忆阻器单元内部，实现了计算和存储的融合，而且，一般的逻辑电路都可以映射crossbar（交叉）阵列，从而实现高密度。但是，蕴含逻辑在运算过程中需要依次施加不同的模拟电压，而这需要相应的电压产生电路和控制电路，带来非常大的面积和功耗代价。MAGIC逻辑由以色列理工学院提出，开展类似研究的单位包括中科院微电子所、华中科技大学、MIT等。MAGIC逻辑采用类似CMOS逻辑门的风格，但其仅用忆阻单元来实现逻辑门（NAND和NOR），然后用交叉阵列来实现复杂的逻辑函数。但是，MAGIC逻辑会受到交叉阵列固有的潜行通路的影响，这一方面带来较大的功耗，另外一方面影响输出的噪声容限。非易失TCAM可以实现存储内容的掉电保存，而且支持快速搜索操作，开展相关研究的单位包括国立清华大学、复旦大学、日本的东北大学、IBM等。但是，非易失TCAM仅能实现搜索操作，无法满足逻辑电路功能的多样性要求。相比非易失TCAM，非易失SRAM仅能实现系统数据的掉电保存和上电快速恢复，也不具备逻辑电路功能的多样性，开展相关研究的单位包括国立清华大学、北京大学、北京航空航天大学、东京大学等。至于有比逻辑、阈值逻辑和混合逻辑，由于无法映射到交叉阵列，仅能实现简单的逻辑函数，而且信号的噪声容限也容易受到忆阻器阻值波动的影响，相应的配套电路代价也比较大，开展相关研究的单位包括以色列理工学院、阿联酋的哈立法大学等。综上所述，虽然忆阻器的非易失存储和计算能力在实现数字逻辑方面表现出低功耗、信息安全等优势，但是受限于忆阻器是两端器件，不像传统CMOS晶体管有一个栅极作为控制端，与之配套的电路设计方法还不完善，目前的水平仅能实现一些逻辑门、规模较小的逻辑函数或加法器等运算模块，而且随之而来的复杂控制和功耗代价也不容忽视。因此，研究既能有效利用忆阻器计算存储相融合这一特点带来优势，又能克服目前关于忆阻器的电路设计方法还不成熟带来的不足，成为解决包括物联网终端在内的低功耗信息安全应用场合的重要途径。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能实现复杂运算，且功耗代价低、信息安全性好的基于忆阻器的存储器内计算架构。本专利技术提出的基于忆阻器的存储器内计算架构，包含忆阻器阵列和辅助电路；其中，忆阻器阵列可以是一个交叉阵列，由若干水平方向的互连线和若干竖直方向的互连线互相交叉构成，每个交叉处有一个忆阻器单元，该忆阻器单元具有两个端，一端连接水平方向的互连线，另一端连接竖直方向的互连线。忆阻器阵列实现存储内计算时，可以动态划分为存储区和计算区；计算区可以实现与、或、非、与非、或非、异或等逻辑运算；计算区的运算结果可以保存在存储区；辅助电路用于进行除与、或、非、与非、或非、异或等逻辑运算之外的复杂运算，比如数据的处理、加密（AES加密）等关键运算。本专利技术中，具有两端结构的忆阻器单元，可以是相变存储器、铁电存储器、磁存储器、阻变存储器或其他任何用阻值高低表征逻辑值的存储器。本专利技术的基于忆阻器的存储器内计算架构，可用于物联网终端架构中，用于替代传统的物联网终端架构中的SRAM和Flash模块。本专利技术提供的基于忆阻器的存储器内计算架构，能实现复杂运算，有利于改善物联网终端的低功耗和信息安全特性。附图说明图1是传统的物联网终端架构图。图2是本专利技术提出的物联网终端架构图。图3是本专利技术提出的一个忆阻器模块架构图。图4是本专利技术采用的一个采用交叉阵列的忆阻阵列图。图中标号：100是传统的物联本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于忆阻器的存储器内计算架构，其特征在于，包含忆阻器阵列和辅助电路；其中，忆阻器阵列是一个交叉阵列，由若干水平方向的互连线和若干竖直方向的互连线互相交叉构成，每个交叉处有一个忆阻器单元，该忆阻器单元具有两个端，一端连接水平方向的互连线，另一端连接竖直方向的互连线；忆阻器阵列实现存储内计算时，动态划分为存储区和计算区；计算区用于实现与、或、非、与非、或非、异或这些逻辑运算；计算区的运算结果保存在存储区；辅助电路用于进行除与、或、非、与非、或非、异或等逻辑运算之外的复杂运算，包括数据处理、加密运算。

【技术特征摘要】
1.一种基于忆阻器的存储器内计算架构，其特征在于，包含忆阻器阵列和辅助电路；其中，忆阻器阵列是一个交叉阵列，由若干水平方向的互连线和若干竖直方向的互连线互相交叉构成，每个交叉处有一个忆阻器单元，该忆阻器单元具有两个端，一端连接水平方向的互连线，另一端连接竖直方向的互连线；忆阻器阵列实现存储内计算时，动态划分为存储区和计算区；计算区用于实现与、或、非、与非、或非、异或这些逻辑运算；计算区的运算结果保存在存储区；辅助电路用于进行除与、或、非、与非、或非、异或等逻辑运算之外的复杂运算，包括数据处理、加密运算。2.根据权利要求1所述的基于忆阻器的存储器内计算架构，其特征在于，所述具有两端结构的忆阻器单元为相变存储器...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛晓勇，刘文军，周鹏，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海,31