基于金属氧化物存储介质的编程单元复用的FPGA器件制造技术

本发明专利技术属于集成电路技术领域，具体为一种基于金属氧化物存储介质的编程单元复用的ＦＰＧＡ器件。该器件由可编程逻辑功能块ＣＬＢ、输入输出模块ＩＯＢ和可编程互联资源组成，其中可编程逻辑功能块ＣＬＢ和可编程互联资源都应用编程单元复用的结构，由复用的编程单元控制各编程点。复用的编程单元以金属氧化物作为存储介质，并由一个传统的ＳＲＡＭ与多个存储电阻和一个参考电阻构成。工作时，通过一个译码器控制与各存储电阻上电极连接的ｎｍｏｓ选通管，从而实现对同一编程单元的各个不同的存储电阻的读写操作。使用本发明专利技术器件，大量的配置数据一次下载即可，用户每次只需导入少量功能数据，可以节省大量时间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于集成电路
，具体涉及一种采用金属氧化物作为存储介质的编程单 元复用的FPGA器件。
技术介绍
现场可编程逻辑阵列(Field Programmable Logic Arrays)是技术和市场双重作用 下的产物，它较之ASIC具有开发周期短、可靠性高、市场风险低的优点；随着半导体工 艺技术的发展，FPGA的上述优势使得它不仅作为硬件仿真手段，而且在一些柔性的领域(如 程控交换机、重配置硬件系统)"]正取代ASIC发挥着越来越大的作用。FPGA的逻辑单元阵列LCA (Logic Cell Array) —般包括了三个主要的可构造元素 可配置逻辑模块CLB (Configuration Logic Blocks)、输入/输出模块I0B (1叩ut/0utput Blocks)和可编程互连资源。如图1所示。模块101表示CLB，主要部件为组合逻辑功能块， 触发器和多路开关。组合逻辑功能块是以查找表(Look Up Table,简称LUT)的结构来完 成逻辑函数输出，可构成各种组合逻辑，触发器具有记忆功能，多路开关提供了电路的多 种组合。模块102表示I0B， IOB分布在器件的四周，它提供了器件外部和内部逻辑之间的 连接，主要由触发器、输入缓冲器和输出触发/锁存器、输出缓冲器组成。模块103表示可 编程互联资源开关矩阵，提供了把这些可构造元素的输入输出连接在适当网络上的途径。 用户设计的编程逻辑功能和互联均由存储在内部静态存储单元的配置数据决定，该配置数 据存储在外部的存储单元中，如E卞R0M， EPR0M， ROM以及软盘，硬盘等。现有的大多数商用FPGA都是基于SR細架构进行编程的，这取决于SRAM自身特点， 但它的最大的缺陷就是掉电后存储信息会丢失，称为易失性或挥发性，这虽可以通过外置 非易失或非挥发存储器件(如EPR0M)，在每次工作时重新装载编程信息来解决，但这不 仅消耗硬件资源，而且带来的另一个问题就是编程信息的保密性。这就使得研究关于内 置式且非挥发的FPGA成为可能和必要。目前已经有了基于SRAM编程且片上集成了 E2PR0M 或者FLASH非挥发器件的FPGA产品，如LATTICE公司的ispXPGA系列、ACTEL公司的ProASIC 系列。但是由于上述存储器件工作电压高、功耗大和不耐辐射从而限制了它们的使用范围。也有应用其他非挥发存储介质作为编程单元的FPGA，如硫化亚铜[51。它的工作原理类 似熔丝型可编程逻辑器件，通过在硫化亚铜两端加电压对其编程，实现通、断两态的转换。 但与一般熔丝型可编程逻辑器件不同，该FPGA器件可多次编程，重复使用。它的编程电 压约为IV，编程电流为1. 5-2. 5mA,转换速度5-32us，可重复编程1000次以上。此外，目前已有关于采用NVSRAM编程的FPGA的报道，如基于铁电的NVSRAM。铁电 FPGA具有低电压，低功耗，无需外置非挥发存储器等优点。但由于铁电材料自身的特点， 导致其制造工艺复杂，造成铁电FPGA成本相对较高，并且随技术代向小特征尺寸延伸的 速度慢。然而，以上所提及的FPGA器件都有一个共同的缺点FPGA器件工作时需要下载大量的编程数据，这就意味着要耗费大量的时间。为了解决这一问题，我们提出了配置信息一次下载的概念，以及实施这一理念的编程单元复用的FPGA器件。最近电阻随机存储器(resistive random access memory,简称为RRAM)因为其高密度、低成本、可突破技术代发展限制的特点引起高度关注，所使用的材料有相变材料、掺杂的SrZrO"、铁电材料PbZrTiO"、铁磁材料Prh(XMn03加、二元金属氧化物材料、有机材料等。这其中Cu,0(l〈x《2)可用作存储介质的特性己被证实M。图2是已被报道的基于相变存储器的NVSRAM的结构，原理和操作流程。相变材料在电或热等形式的能量作用下，可在多晶和非晶两相间发生可逆转变，相应地，电阻在低阻和高阻间发生可逆变化，从而可用于信息1或0的存储。掉电时SRAM中的信息写入到PCM中，上电时恢复至SRAM。即在存储(store)和初始化(initialize)阶段对相变材料进行编程。图3是已被报道的电阻存储单元的I一V特性曲线的示意图"'"，(a)是采用极性不同的 电压进行高阻和低阻间转换情形，曲线201表示起始态为高阻的IV曲线，电压扫描方向 如箭头所示，当电压从O开始向正向逐渐增大到Vn时，电流会突然迅速增大，表明存储电 阻从高阻突变成低阻状态，示意图中电流增大不是无限制的，而是受回路中电流限制元件 的约束，到达最大值(以下称为钳制值)后不再随电压增加而增加。曲线200表示起始态 为低阻的状态，当电压由0向负向逐渐增大到VT2时，电流会突然迅速减小，表明存储电阻 从低阻突变成高阻状态。高阻和低阻分别代表不同的数据状态，这种改变是多次可逆的， 由此可实现数据存储。(b)是采用极性相同的电压来进行高阻和低阻转换的情形，曲线201 和202分别表示采用正向电压使存储电阻由高阻向低阻转换和由低阻向高阻转换的过程， 而203和200分别表示采用负向电压使存储电阻由高阻向低阻转换和由低阻向高阻转换的 过程。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种以金属氧化物为存储介质的编程单元复用的FPGA器件。本专利技术提出的编程单元复用的FPGA器件，采用复用的编程单元控制各编程点， 一个 存储电阻对应一种编程信息，即一个存储电阻对应一种配置功能。使用时，大量的配置数 据一次下载即可，用户每次只需导入少量的功能数据。本专利技术提出的编程单元复用的FPGA器件，主要由下述三个模块构成可编程逻辑功 能块CLB、输入输出模块IOB和可编程互联资源。其中，可编程逻辑功能块CLB和可编程 互联资源都应用编程单元复用的结构，由复用的編程单元控制各编程点。本专利技术提出的编程单元复用的结构，以二元或者二元以上的多元金属氧化物作为非挥 发存储介质，由一个传统的六管SRAM与多个(一般为2、 4、 8或16个)存储电阻以及一个 参考电阻构成；每一个存储电阻的下电极与SRAM的一个上拉pmos管的源端耦连，上电极 通过一个nmos选通管与电源线耦连；用一nmos选通管与存储电阻串联，该选通管栅极与 该上拉pmos管栅极耦连，漏端与存储电阻的下电极耦连，源端引入一个用于对存储电阻 进行操作的信号；参考电阻的一端与SRAM的另一个上拉pmos管的源端耦连，另一端与电 源线耦连。具体工作时，通过一个译码器控制与各存储电阻上电极连接的nmos选通管， 从而实现对同一编程单元的各个不同的存储电阻的读写操作。本专利技术提出的编程单元复用的FPGA器件中，各个存储电阻均为两端器件，其中一端 与金属连线的阻挡层材料相连。在对存储电阻进行读写操作时，既可采用相同极性的电信 号进行数据操作，也可采用相反极性的电信号。本专利技术提出的编程单元复用的FPGA器件中，在对存储电阻进行写操作前要先将存储 电阻复位至初始状态。即在对FPGA系统进行配置数据下载前需要完成复位操作。本专利技术所述的金属氧化物具有快速转换特性，低操作电流电压的特点，并且与现代 COMS工艺的兼容性很高。该金属氧化物为铜的氧化物Cu,0(l〈x《2)、钛的氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于金属氧化物存储介质的编程单元复用的ＦＰＧＡ器件，其特征在于由可编程逻辑功能块ＣＬＢ、输入输出模块ＩＯＢ和可编程互联资源组成，其中可编程逻辑功能块ＣＬＢ和可编程互联资源都应用编程单元复用的结构，由复用的编程单元控制各编程点；该编程单元复用的结构以二元或者二元以上的多元金属氧化物作为非挥发存储介质，并由一个传统的六管ＳＲＡＭ与多个（如２－１０个，或更多）存储电阻以及一个参考电阻构成；每一个存储电阻的下电极与ＳＲＡＭ的一个上拉ｐｍｏｓ管的源端耦连，上电极通过一个ｎｍｏｓ选通管与电源线耦连；用一ｎｍｏｓ选通管与存储电阻串联，该选通管栅极与该上拉ｐｍｏｓ管栅极耦连，漏端与存储电阻的下电极耦连，源端引入一个用于对存储电阻进行操作的信号；参考电阻的一端与ＳＲＡＭ的另一个上拉ｐｍｏｓ管的源端耦连，另一端与电源线耦连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：林殷茵，陈邦明，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]