交叉点存储阵列的迭代模型建立方法及仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种交叉点存储阵列的迭代模型建立方法及仿真方法，属于信息存储及存算一体化领域，模型为：模型为：模型为：仿真方法包括：(S1)初始化阵列中各结点的电压，由各存储单元的上结点和下结点的电压分别构成电压矩阵V

【技术实现步骤摘要】
交叉点存储阵列的迭代模型建立方法及仿真方法


[0001]本专利技术属于信息存储及存算一体化领域，更具体地，涉及一种交叉点存储阵列的迭代模型建立方法及仿真方法。

技术介绍

[0002]阻变存储器、磁阻存储器、相变存储器等，采用存储单元电阻的高低数值来表示存储的信息，这些存储器中，存储单元通过夹在字线和位线中间的方式构建交叉点存储阵列，其中，阻变存储器是最为常用的交叉点存储阵列。对交叉点存储阵列的存储单元两端施加超过一定幅度的正向或反向脉冲，能够改变存储单元的阻值大小，而对其施加较小的读电压，则可通过流出的电流大小判断存储的阻值。由于互连线电阻的存在，无论是对交叉点阵列进行写入、读取还是计算操作，字线施加的电压均会被互连线电阻分压，从而造成写入、读取操作失败亦或是计算操作的结果误差过大，需要对考虑线电阻影响的交叉点阵列进行建模，准确得仿真出线电阻的影响，现有的仿真方法，存在时间复杂度和空间复杂度较大的问题，以下以阻变存储器为例进行说明。
[0003]阻变存储器(ReRAM，Resistive Random
‑
Access Memory)是一类双端无源存储器件，如图1中的(a)所示，对ReRAM单元两端施加超过一定幅度的正向或反向脉冲，能够改变单元的阻值大小。而对其施加较小的读电压，则可通过流出的电流大小判断出存储的阻值。
[0004]如图1中的(b)所示，ReRAM单元通过夹在字线和位线中间的方式构建交叉点存储阵列。交叉点阵列中ReRAM单元的面积仅为4F2(F是特征尺寸)，是构建大容量高密度存储和高能效存算一体化架构的有效途径。以下分别对交叉点阵列的写入、读取及计算操作进行介绍。
[0005]如图1中的(c)所示，一般采用半偏置写电压方案对交叉点阵列的目标单元进行写入操作，其中目标单元处于完整的写电压偏置，而和目标单元同行同列的单元处于半选择状态即单元两端电压为写电压的一半，因此仅有目标单元被写入而其他单元不会被修改。如图1中的(d)所示，对交叉点阵列采用传统的双端接地读方案，即目标单元所在字线施加读取电压v
rd
，其他所有字线与位线均接地，通过检测目标单元所在位线的电流大小完成读取操作。同时交叉点阵列还具备计算能力，可以在阵列原位完成模拟量的矩阵向量乘法计算。如图1中的(e)所示，在字线上施加参与计算的电压并将所有位线接地，假设一条位线上的ReRAM单元电导为则该位线上流出的电流可以表示为完成了一次电压向量与ReRAM单元电导向量模拟量间的点乘操作。那么整个阵列的所有位线输出的电流结果则完成了矩阵向量乘法操作，其中矩阵为交叉点阵列中ReRAM单元的电导矩阵，向量为字线上施加的电压向量。
[0006]传统完整模型建模方式如图1中的(f)所示，一个m
×
n大小的交叉点阵列拥有2mn+m+n个结点，其中字线上的mn+m结点在交叉点阵列上平面，而位线上的mn+n个结点在交叉点阵列下平面。每条字线可以视作结点间连接一段线电阻r
wl
的形式构建，同理每条位线可以
视作结点间连接一段线电阻r
bl
的形式构建。无论是写入、读取还是计算操作，均可以视为对字线施加电压和对位线施加电压例如计算操作中即为参与计算的电压向量，即为全0向量来表示接地。接着通过基尔霍夫电流定律，可以对所有结点的电压建立方程形成线性方程组其中是所有结点形成的电压向量，A是基尔霍夫电流定律建立的线性方程组的系数矩阵，是方程组结果向量。最后对方程组进行求解，获得每个结点的电压，同时能够通过结点电压计算得到位线上流出的电流，从而能够准确评估写入、读取操作是否成功以及计算操作的精确数值。由于线性方程组变量个数有2mn+m+n个，方程组的求解空间复杂度为O(m2n2)，时间复杂度为O(m3n3)。
[0007]总的来说，传统的方法基于线性方程组建立交叉点存储阵列的模型，基于该模型进行仿真，时间复杂度和空间复杂度大，仿真效率低，且仿真开销大。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种交叉点存储阵列的迭代模型建立方法及仿真方法，其目的在于，降低仿真交叉点存储阵列的时间与空间复杂度，以提高仿真效率并降低仿真开销。
[0009]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种交叉点存储阵列的迭代模型建立方法，交叉点存储阵列利用存储单元电阻的高低数值来表示所存储的信息，交叉点存储阵列的字线总数m和位线总数n满足：
[0010]交叉点存储阵列的迭代模型建立方法包括：对于交叉点存储阵列中位于(x,y)处的目标存储单元，基于基尔霍夫电压定律建立如下迭代模型：
[0011][0012]其中，x和y分别表示目标存储单元所在字线和位线的编号，1≤x≤m，1≤y≤n；表示目标存储单元所在字线上施加的电压，表示目标存储单元所在位线上施加的电压；r
wl
表示字线上相邻两结点间的线电阻，r
bl
表示位线上相邻两结点间的线电阻；R
x,y
表示存储单元的电阻；G
max
表示存储单元能选取的电导范围中的最大电导；I
arr
表示流过交叉点存储阵列中各存储单元的电流矩阵；表示在第r次迭代中，位于(p,q)处的存储单元的电流，下标r表示迭代次数，上标(p,q)表示存储单元的位置。
[0013]按照本专利技术的另一个方面，提供了基于上述交叉点存储阵列的迭代模型建立方法的交叉点存储阵列的仿真方法，包括如下步骤：
[0014](S1)根据待施加的字线电压和位线电压，初始化交叉点存储阵列中各结点的电压，由各存储单元的上结点的电压构成电压矩阵V
up
，由各存储单元的下结点的电压构成电
压矩阵V
down
，并初始化当前的迭代次数为k＝1；
[0015]存储单元的上结点为存储单元与其所在字线相交形成的结点，存储单元的下结点为存储单元与其所在位线相交形成的结点；
[0016](S2)根据I
arr[k
‑
1]＝G
⊙
(V
up
‑
V
down
)计算第k
‑
1次迭代中，流过各存储单元的电流，并根据流过各存储单元的电流计算第k
‑
1次迭代中，流过每条字线的总电流和流过每条位线的总电流；
[0017]G表示各存储单元的电导矩阵，
⊙
表示矩阵对应元素相乘的哈达玛积；
[0018](S3)根据第k
‑
1次迭代中流过每条字线的总电流和流过每条位线的总电流对第k次迭代中各存储单元的上结点电压和下结点电压进行更新，从而对电压矩阵V
up
和电压矩阵V
down
进行更新；
[0019](S4)迭代执行步骤(S2)～(S3)，直至第k次迭代中各结点的电压与第k
‑
1次迭代中各结点电压的差值本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种交叉点存储阵列的迭代模型建立方法，所述交叉点存储阵列利用存储单元电阻的高低数值来表示所存储的信息，其特征在于，所述交叉点存储阵列的字线总数m和位线总数n满足：所述交叉点存储阵列的迭代模型建立方法包括：对于所述交叉点存储阵列中位于(x,y)处的目标存储单元，基于基尔霍夫电压定律建立如下迭代模型：其中，x和y分别表示目标存储单元所在字线和位线的编号，1≤x≤m，1≤y≤n；表示所述目标存储单元所在字线上施加的电压，表示所述目标存储单元所在位线上施加的电压；r
wl
表示字线上相邻两结点间的线电阻，r
bl
表示位线上相邻两结点间的线电阻；R
x,y
表示存储单元的电阻；G
max
表示存储单元能选取的电导范围中的最大电导；I
arr
表示流过所述交叉点存储阵列中各存储单元的电流矩阵；表示在第r次迭代中，位于(p,q)处的存储单元的电流，下标r表示迭代次数，上标(p,q)表示存储单元的位置。2.基于权利要求1所述的交叉点存储阵列的迭代模型建立方法的交叉点存储阵列的仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：(S1)根据待施加的字线电压和位线电压，初始化所述交叉点存储阵列中各结点的电压，由各存储单元的上结点的电压构成电压矩阵V
up
，由各存储单元的下结点的电压构成电压矩阵V
down
，并初始化当前的迭代次数为k＝1；存储单元的上结点为存储单元与其所在字线相交形成的结点，存储单元的下结点为存储单元与其所在位线相交形成的结点；(S2)根据I
arr[k
‑
1]
＝G
⊙
(V
up
‑
V
down
)计算第k
‑
1次迭代中，流过各存储单元的电流，并根据流过各存储单元的电流计算第k
‑
1次迭代中，流过每条字线的总电流和流过每条位线的总电流；G表示各存储单元的电导矩阵，
⊙
表示矩阵对应元素相乘的哈达玛积；(S3)根据第k
‑
1次迭代中流过每条字线的总电流和流过每条位线的总电流对第k次迭代中各存储单元的上结点电压和下结点电压进行更新，从而对电压矩阵V
up
和电压矩阵V
down
进行更新；(S4)迭代执行步骤(S2)～(S3)，直至第k次迭代中各结点的电压与第k
‑
1次迭代中各结点电压的差值小于预设误差ε，或者迭代次数达到预设的最大迭代次数K；(S5)将最后一次迭代中各结点的电压作为仿真结果，仿真结束。3.如权利要求2所述的交叉点存储阵列的仿真方法，其特征在于，所述步骤(S1)中，根据待施加的字线电压和位线电压，初始化所述交叉点存储阵列中各结点的电压，包括：将字线上的各结点的电压初始化为对应字线上施加的电压；将位线上的各结点的电压
初始化为对应位线上施加的电压。4.如权利要求2所述的交叉点存储阵列的仿真方法，其特征在于，所述步骤(S1)中，根据待施加的字线电压和位线电压，初始化所述交叉点存储阵列中各结点的电压，包括：根据待施加的字线电压和位线电压，以及各存储单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯丹，吴兵，童薇，刘锦鹏，程欢，周恒，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：