一种磁阻存储器单元、写控制方法及存算模块技术

本发明专利技术公开了一种磁阻存储器单元、写控制方法及存算模块，其中，磁阻存储器单元包括：第一磁隧道结、第二磁隧道结和金属层；第一磁隧道结和第二磁隧道结均设置在金属层上；金属层被配置为用于通过写电流，第一磁隧道结的易轴在金属层所在平面与写电流所在方向呈第一角度，第二磁隧道结的易轴沿金属层所在平面与写电流所在方向呈第二角度，第一角度和第二角度相对于写电流所在方向的偏转方向相反；第一磁隧道结和第二磁隧道结被配置为用于通过读电流。本发明专利技术磁阻存储器单元可实现无外加磁场辅助的全电控的超快磁化翻转，有利于大规模集成，且在读取信息时可通过自参考机制实现读取，提高读取裕度，进而增强读可靠性，降低读延时。时。时。

【技术实现步骤摘要】
一种磁阻存储器单元、写控制方法及存算模块


[0001]本专利技术涉及集成电路
，尤其涉及一种磁阻存储器单元、写控制方法及存算模块。

技术介绍

[0002]卷积神经网络(Convolutional Neural Networks，CNN)被广泛应用于图片识别、语音识别、自然语言处理等多种领域，显示出优异的性能。然而由于其对存储和计算资源的巨大需求，限制了大规模卷积神经网络的硬件实现。二值神经网络(Binary Neural Network，BNN)通过将卷积神经网络的突触权值、神经元输入输出二值化，减少了存储资源开销；用点积代替高精度的乘法运算简化计算任务，减少计算资源负担。同时在各种大规模数据集上都展示出与卷积神经网络相当的精确度。因此二值神经网络受到越来越多的关注，为深度神经网络的硬件实现提供了一种方案。基于传统的冯
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诺依曼架构的硬件神经网络，由于存储墙和功耗墙问题，难以大规模集成和应用。近年来，基于新型非易失存储器的存内计算(In
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Memory Computing，IMC)平台的发展，将硬件神经网络带入新的发展时期。在各种新型非易失存储器中，SOT
‑
MRAM(Spin
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Orbit Torque Magnetic Random Access Memory，自旋轨道矩磁随机存储器)由于高读写速度、无限次擦写次数、高数据保持时间、低写入功耗与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺兼容等优点有望成为下一代通用存储器，并已被大量用于存内计算平台、硬件神经网络的研究中。
[0003]然而，目前SOT
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MRAM由于其三端结构和需要外加磁场辅助实现确定性磁化翻转而不利于大规模集成，并且其较小的隧穿磁电阻(Tunnel Magneto Resistance，TMR)限制了其读性能，带来较高的读错误率。

技术实现思路

[0004]本申请实施例通过提供一种磁阻存储器单元、写控制方法及存算模块，其中，磁阻存储器单元可实现无外加磁场辅助的全电控的超快磁化翻转，有利于大规模集成，且在读取信息时可通过自参考机制实现读取，提高读取裕度，进而增强读可靠性，降低读延时。
[0005]第一方面，本申请通过本申请的一实施例提供如下技术方案：
[0006]一种磁阻存储器单元，包括：第一磁隧道结、第二磁隧道结和金属层；所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结均设置在所述金属层上；所述金属层被配置为用于通过写电流，所述第一磁隧道结的易轴在所述金属层所在平面与所述写电流所在方向呈第一角度，所述第二磁隧道结的易轴沿所述金属层所在平面与所述写电流所在方向呈第二角度，所述第一角度和所述第二角度相对于所述写电流所在方向的偏转方向相反；所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结被配置为用于通过读电流。
[0007]可选的，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的横截面均为椭圆形。
[0008]可选的，所述第一角度和所述第二角度的大小相等。
[0009]可选的，所述第一角度和所述第二角度的大小范围为：30
°
～60
°
。
[0010]可选的，所述第一角度和所述第二角度的大小均为45
°
。
[0011]可选的，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结均包括：合成反铁磁层、铁磁参考层、势垒层和铁磁自由层；所述铁磁自由层设置在所述金属层上，所述势垒层设置在所述铁磁自由层远离所述金属层的一侧，所述铁磁参考层设置在所述势垒层远离所述金属层的一侧，所述合成反铁磁层设置在所述铁磁参考层远离所述金属层的一侧；所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结中的铁磁参考层磁化方向相同。
[0012]可选的，还包括：第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管；所述第一晶体管连接所述第一磁隧道结远离所述金属层的一侧，所述第二晶体管连接所述第二磁隧道结远离所述金属层的一侧，所述第三晶体管连接所述金属层横向上的第一端。
[0013]第二方面，基于同一专利技术构思，本申请通过本申请的一实施例，提供如下技术方案：
[0014]一种磁阻存储器单元的写控制方法，应用于上述第一方面中任一所述的磁阻存储器单元，所述写控制方法包括：
[0015]对所述金属层通过沿第一方向的写电流，以使所述磁阻存储器单元呈第一存储状态；所述第一存储状态为：所述第一磁隧道结呈高电阻状态，所述第二磁隧道结呈低电阻状态；或者，对所述金属层通过沿第二方向的写电流，以使所述磁阻存储器单元呈第二存储状态；所述第二存储状态为：所述第一磁隧道结呈低电阻状态，所述第二磁隧道结呈高电阻状态；其中，所述第一方向和所述第二方向相反。
[0016]第三方面，基于同一专利技术构思，本申请通过本申请的一实施例，提供如下技术方案：
[0017]一种BNN芯片的存算模块，包括由上述第一方面中任一所述的磁阻存储器单元组成的突触阵列，所述突触阵列用于存储突触权值。
[0018]可选的，所述突触阵列中，每列所述磁阻存储器单元对应存储一神经元的突触权值；
[0019]所述存算模块，用于在目标神经元对应列的多个突触权值加和为正时，确定所述目标神经元的输出为1；所述目标神经元为任一神经元，每个所述磁阻存储器单元对应一所述突触权值；所述存算模块，还用于在目标神经元的多个突触权值加和为负时，确定所述目标神经元的输出为0；其中，针对每个所述磁阻存储器单元：所述存算模块，还用于在所述第一磁隧道结的读电流大于所述第二磁隧道结的读电流时，记该个所述磁阻存储器单元对应的突触权值为1；以及在所述第一磁隧道结的读电流小于所述第二磁隧道结的读电流时，记该个所述磁阻存储器单元对应的突触权值为
‑
1。
[0020]本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
[0021]1、本专利技术实施例的磁阻存储器单元，由于第一磁隧道结和第二磁隧道结设置在金属层上，并分别相反的偏转了第一角度和第二角度，可实现无外加磁场辅助的全电控的超快磁化翻转，有利于大规模集成。
[0022]2、本专利技术实施例的磁阻存储器单元，通过第一磁隧道结和第二磁隧道结在反转后实现组态总是相反，构成互补结构存一位比特。在读取信息时可通过自参考机制实现读取，提高读取裕度，进而增强读可靠性，降低读延时。并且，其工作时无需外加磁场实现翻转。
[0023]3、本专利技术实施例的磁阻存储器单元可实现基于3T2SOT MTJ(3个晶体管，2个自旋轨道矩磁隧道结)的1R1W(一读一写)双端口存储阵列，可以分块同时读写，极大改善读写效率，提高存储单元并行度。
[0024]4、本专利技术实施例的BNN芯片的存算模块，通过算法层面优化，突触阵列读取时可以整列读取，同时实现突触权值加和，极大提高了BNN并行度。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁阻存储器单元，其特征在于，包括：第一磁隧道结、第二磁隧道结和金属层；所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结均设置在所述金属层上；所述金属层被配置为用于通过写电流，所述第一磁隧道结的易轴在所述金属层所在平面与所述写电流所在方向呈第一角度，所述第二磁隧道结的易轴沿所述金属层所在平面与所述写电流所在方向呈第二角度，所述第一角度和所述第二角度相对于所述写电流所在方向的偏转方向相反；所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结被配置为用于通过读电流。2.如权利要求1所述的磁阻存储器单元，其特征在于，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结的横截面均为椭圆形。3.如权利要求1所述的磁阻存储器单元，其特征在于，所述第一角度和所述第二角度的大小相等。4.如权利要求1所述的磁阻存储器单元，其特征在于，所述第一角度和所述第二角度的大小范围为：30
°
～60
°
。5.如权利要求4所述的磁阻存储器单元，其特征在于，所述第一角度和所述第二角度的大小均为45
°
。6.如权利要求1所述的磁阻存储器单元，其特征在于，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结均包括：合成反铁磁层、铁磁参考层、势垒层和铁磁自由层；所述铁磁自由层设置在所述金属层上，所述势垒层设置在所述铁磁自由层远离所述金属层的一侧，所述铁磁参考层设置在所述势垒层远离所述金属层的一侧，所述合成反铁磁层设置在所述铁磁参考层远离所述金属层的一侧；所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结中的铁磁参考层磁化方向相同。7.如权利要求1所述的磁阻存储器单元，其特征在于，还包括：第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管；所述第一晶体管连接所述第一磁隧道结远离所述金属层的...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢国忠，刘龙，王迪，林淮，刘明，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：