一種相變存儲器的讀寫轉換系統及方法
2023-10-06 17:42:34
專利名稱：一種相變存儲器的讀寫轉換系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種相變存儲器系統及方法，特別是涉及一種相變存儲器的讀寫轉換系統及方法。
背景技術：
相變存儲器(PC-RAM)是基於Ovshinsky在20世紀60年代末70年代初提出的相變薄膜可以應用於相變存儲介質的構想上建立起來一種新型的阻變式非易失性半導體存儲器，它與目前已有的多種半導體存儲技術相比，具有低功耗，非揮發、高密度、抗輻照、非易失性、高速讀取、循環壽命長、器件尺寸可縮性(納米級)，耐高低溫(_55°C至125°C)、抗振動、抗電子幹擾和製造工藝簡單(能和現有的集成電路工藝相匹配)等優點，是目前被工業界廣泛看好的下一代存儲器中最有力的競爭者，擁有廣闊的市場前景。相變存儲器以硫系化合物材料為存儲介質，利用電脈衝或光脈衝產生的焦耳熱使 相變存儲材料在非晶態(材料呈高阻狀態)與晶態(材料呈低阻狀態)之間發生可逆相變而實現數據的寫入和擦除，數據的讀出則通過測量電阻的狀態來實現。由於相變存儲器中存儲單元的狀態轉換是通過電脈衝的熱效應實現的，特別是進行Reset操作時，需要將相變材料進行熔化，因此，相變存儲器的寫操作需要消耗大量的能量。而對於二值存儲的相變存儲器，其進行寫操作時目標單元存儲的數據和待寫入的數據相同的概率是50%，即如果原有的單元是處於非晶態，而寫入的結果也是讓其處於非晶態的話，那麼該次寫操作是可以避免的，從而可以節省本次寫操作的能量，進而提高存儲單元的壽命。然而要實現上述功能，需要在對目標地址寫入數據之前增加一個額外的讀操作，或者在對當前目標地址進行寫入操作時預讀下一個需要進行寫操作的目標地址的數據。前者由於增加了額外的讀操作會導致寫入的周期的增加，進而降低存儲器的寫入速度；而後者由於需要並行實現獨立的讀操作和寫操作而大幅度提高存儲器系統的複雜度，進而降低系統的可靠性。因此，有必要對現有的存儲器系統及方法進行改進，從而在不降低存儲器系統可靠性的前提下，儘可能降低存儲器的操作功耗，並將對存儲器的操作速度的影響減至最小。
發明內容
鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種相變存儲器的讀寫轉換系統及方法，以在不降低存儲器系統可靠性的前提下，儘可能降低存儲器的操作功耗，並將對存儲器的操作速度的影響減至最小。為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種相變存儲器的讀寫轉換系統，所述讀寫轉換系統至少包括讀寫脈衝產生模塊，用於產生讀脈衝及寫脈衝；地址鎖存模塊，用於鎖存需要進行操作的目標地址；
讀模塊，連接於所述地址鎖存模塊及讀寫脈衝產生模塊，用於讀取目標地址相變存儲單元的數據；寫模塊，連接於所述地址鎖存模塊及讀寫脈衝產生模塊，用於將待寫入的數據寫入到目標地址的相變存儲單元；數據鎖存模塊，連接於所述讀模塊及寫模塊，用於鎖存所述讀模塊讀出的目標地址的數據或者所述寫模塊已經寫入目標地址的數據；數據比對模塊，連接於所述數據鎖存模塊及寫模塊，用於比較目標地址的數據和待寫入的數據。在本發明的相變存儲器的讀寫轉換系統中，所述讀寫轉換系統的讀寫操作包括多位數據的並行讀寫操作。在本發明的相變存儲器的讀寫轉換系統中，所述讀寫脈衝產生模塊在每次讀或者 寫操作被觸發時產生讀脈衝或者寫脈衝。在本發明的相變存儲器的讀寫轉換系統中，所述地址鎖存模塊在讀操作或者寫操作開始時鎖存需要進行操作的目標地址數據。在本發明的相變存儲器的讀寫轉換系統中，所述數據鎖存模塊在讀操作結束時鎖存讀出的目標地址數據或者在寫操作結束時鎖存已寫入目標地址的數據。本發明還提供一種相變存儲器的讀寫轉換系統的讀寫轉換方法，所述讀寫轉換方法至少包括以下步驟I)置寫使能無效，所述地址鎖存模塊鎖存需要操作的目標地址，讀模塊開始讀取目標地址的數據，並在讀操作結束時將讀取的目標地址數據鎖存至數據鎖存模塊；2)從相變存儲器IO埠向所述數據鎖存模塊輸入待寫入的數據，通過所述數據比對模塊比對出數據鎖存模塊中的數據和待寫入的數據中不同的位；3)置寫使能有效，寫模塊對所述數據鎖存模塊中的數據和待寫入的數據不同的位進行寫操作，並在寫操作結束時將已寫入的數據鎖存到數據鎖存模塊中。作為本發明的相變存儲器的讀寫轉換系統的讀寫轉換方法的一個優選方案，所述的數據比對模塊一直對數據鎖存模塊中的數據和相變存儲器IO埠輸入的待寫入數據進行對比。作為本發明的相變存儲器的讀寫轉換系統的讀寫轉換方法的一個優選方案，在寫操作時，所述數據比對模塊比對出目標地址數據和待寫入數據中不同的位，然後通過所述寫模塊對這些位進行寫操作，並跳過那些數據相同的位不進行寫操作。作為本發明的相變存儲器的讀寫轉換系統的讀寫轉換方法的一個優選方案，在讀操作時，若所述地址鎖存模塊鎖存的地址與當前需要讀取數據的地址一致，則所述讀模塊直接從所述數據鎖存模塊讀出數據；若地址鎖存模塊鎖存的地址與當前需要讀取數據的地址不一致，則所述讀模塊從所述相變存儲器需要讀取數據的地址讀出數據，並將讀出的數據鎖存至所述數據鎖存模塊。本發明還提供另一種相變存儲器的讀寫轉換系統的讀寫轉換方法，所述讀寫轉換方法至少包括以下步驟I)置寫使能一直有效，當待寫入數據相對於當前目標地址數據發生變化時，所述讀寫脈衝產生模塊向所述寫模塊發送寫脈衝，所述寫模塊直接將相變存儲器IO 口輸入的待寫入數據寫入到目標地址；2)在寫操作完成時，將已寫入目標地址的數據鎖存至所述數據鎖存模塊。如上所述，本發明的相變存儲器的讀寫轉換系統及方法，具有以下有益效果本發明包括用於產生讀脈衝及寫脈衝的讀寫脈衝產生模塊、用於鎖存需要進行操作的目標地址的地址鎖存模塊、用於讀取目標地址相變存儲單元的數據的讀模塊、用於將待寫入的數據寫入到目標地址的相變存儲單元的寫模塊、用於鎖存所述讀模塊讀出的目標地址的數據或者所述寫模塊已經寫入目標地址的數據的數據鎖存模塊、以及用於比較目標地址的數據和待寫入數據的數據比對模塊。本發明能夠通過控制讀寫次序使相變存儲器自動在速度優先模式和功耗優先模式間切換，從而達到在不降低存儲器系統可靠性的前提下，對於功耗優先的應用場合，最大限度地降低存儲器的操作功耗的目的。
圖I顯示為本發明的相變存儲器的讀寫轉換系統的結構示意圖示意圖。 圖2顯示為本發明的相變存儲器的讀寫轉換系統的工作原理示意圖。圖3所示為本發明的相變存儲器讀寫轉換方法在功耗優先場合下的工作時序圖。圖4所示為本發明的相變存儲器讀寫轉換方法在速度優先場合下的工作時序圖。元件標號說明101讀寫脈衝產生模塊102地址鎖存模塊103讀模塊104寫模塊105數據鎖存模塊106數據比對模塊
具體實施例方式本發明涉及一種相變存儲器的讀寫轉換系統及方法。該方法稱為寫前讀比對方法，在進行下一個寫操作前，先將讀取目標地址的存儲數據，並將其與待寫入的數據比對如果待寫入的數據位與存儲器原始存入的數據位相同，則該位不進行寫操作；如果待寫入的數據位與存儲器原始數據不同，則該位進行正常寫入操作。由於存儲器的狀態處於「O」和「I」兩種狀態，按照概率論，待寫入的數據與存儲器原始數據相同的概率為50%，故該方法能夠降低存儲晶片50%的功耗，提高存儲單元的存儲壽命。考慮到存儲器產品的讀操作和寫操作都是由同一個使能信號控制，本發明提出了一種利用讀寫使能信號決定相變存儲器工作在速度優先模式或者功耗優先模式的相變存儲器讀寫轉換系統及方法。考慮到相變存儲器的寫周期遠大於相變存儲器的讀周期，且寫功耗遠大於讀功耗，故而可以通過讀取——比對——寫入的寫入模式有效降低相變存儲器的操作功耗，而不明顯降低相變存儲器的操作速度。同時，對於速度優先而不考慮功耗的應用，只需跳過寫入之前的讀操作，即可實現快速的寫操作。另外，由於該發明建立在存儲器正常的讀寫操作的基礎上，因此不需要改變相變存儲器的系統架構，不會影響存儲器的可靠性。
以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。請參閱f圖4。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。實施例I如圖f圖2所示，本實施例提供一種相變存儲器的讀寫轉換系統，所述讀寫轉換系統至少包括
讀寫脈衝產生模塊101，用於產生讀脈衝及寫脈衝；地址鎖存模塊102，用於鎖存需要進行操作的目標地址；讀模塊103，連接於所述地址鎖存模塊102及讀寫脈衝產生模塊101，用於讀取目標地址相變存儲單元的數據；寫模塊104，連接於所述地址鎖存模塊102及讀寫脈衝產生模塊101，用於將待寫入的數據寫入到目標地址的相變存儲單元；數據鎖存模塊105，連接於所述讀模塊103及寫模塊104，用於鎖存所述讀模塊103讀出的目標地址的數據或者所述寫模塊104已經寫入目標地址的數據；數據比對模塊106，連接於所述數據鎖存模塊105及寫模塊104，用於比較目標地址的數據和待寫入的數據。在本實施例中，所述讀寫轉換系統的讀寫操作包括多位數據的並行讀寫操作。所述讀寫脈衝產生模塊101在每次讀或者寫操作被觸發時產生讀脈衝或者寫脈衝。所述地址鎖存模塊102在讀操作或者寫操作開始時鎖存需要進行操作的目標地址數據。所述數據鎖存模塊105在讀操作結束時鎖存讀出的目標地址數據或者在寫操作結束時鎖存已寫入目標地址的數據。圖2顯示為該發明提出的相變存儲器讀寫轉換系統工作原理圖。其中，CE信號為晶片使能信號；WE為寫能使信號；Dr為數據鎖存模塊105數據有效標示位，數據有效時Dr=I ；ATD為地址監測信號，Ar為地址變化標識位，地址變化時Ar=0。對於讀操作，即WE=I的情況，在讀脈衝產生的同時，控制電路將判別讀脈衝的觸發機制，如果是由地址變化觸發(即Ar=O),或者由使能信號觸發(CE或者WE)而數據鎖存模塊105的數據無效(即Dr=O),則控制電路將驅動存儲器讀模塊103進行正常的讀操作，同時在讀操作完成時，讀出的數據將被鎖存在數據鎖存模塊105裡。否則，存儲器將跳過此次讀操作，直接將數據鎖存模塊105中的數據輸出，從而可以提高存儲器的壽命，減小存儲器的功耗。另外，如果存儲器在沒有完成正常的讀操作，例如讀有效信號有效時間小於讀脈衝，則此次讀操作被標記為讀失敗，數據鎖存模塊105中的數據將被標記為Dr=0。對於寫操作，即WE=O的情況，在所述讀寫脈衝產生模塊101產生寫脈衝的同時，控制電路將判別寫脈衝的觸發機制，如果是由地址變化觸發(即Ar=O),或者由使能信號觸發(CE或者WE)而數據鎖存模塊105的數據無效(即Dr=0)，則控制電路將驅動存儲器寫模塊104進行正常的寫操作，同時在寫操作完成時，寫入的數據將被鎖存在數據鎖存模塊105裡。否則，數據比對模塊106將比較每一位數據鎖存模塊105裡的數據和從IO 口輸入的待寫入數據，寫模塊104將只對數據不同的位進行寫操作，而數據相同的位將跳過此次寫操作，同時在寫操作完成，從IO埠輸入的待寫入數據將被鎖存在數據鎖存模塊105裡。例如，從目標地址讀出的數據為「10010110」，而需要寫入的數據位「11110000」，那麼經過寫前讀及數據比對後，需要第二位和第三位的「I」需要寫成「O」以及第六位和第七位的「O」需要寫成「1」，其他四位將跳過此次寫操作，同時在寫操作完成時，從IO埠輸入的數據「11110000」將被鎖存在數據鎖存模塊105裡。另外，如果存儲器在沒有完成正常的寫操作，例如寫有效信號有效時間小於寫脈衝，則此次寫操作被標記為寫失敗，數據鎖存模塊105中的數據將被標記為Dr=O。實施例2
本實施例提供一種相變存儲器的讀寫轉換系統的讀寫轉換方法，所述讀寫轉換方法至少包括以下步驟I)置寫使能無效，將需要操作的目標地址輸入到相變存儲器的地址埠，所述地址鎖存模塊102鎖存目標地址，讀模塊103開始讀取目標地址的數據，並在讀操作結束時將讀取的目標地址數據鎖存至數據鎖存模塊105 ；2)從相變存儲器IO埠向所述數據鎖存模塊105輸入待寫入的數據，通過所述數據比對模塊106比對出數據鎖存模塊105中的數據和待寫入的數據中不同的位；3)置寫使能有效，寫模塊104對所述數據鎖存模塊105中的數據和待寫入的數據不同的位進行寫操作，並在寫操作結束時將已寫入的數據鎖存到數據鎖存模塊105中。在本實施例中，所述的數據比對模塊106 —直對數據鎖存模塊105中的數據和相變存儲器IO埠輸入的待寫入數據進行對比。在本實施例中，存儲器在寫操作時，所述數據比對模塊106比對出目標地址數據和待寫入數據中不同的位，然後通過所述寫模塊104對這些位進行寫操作，並跳過那些數據相同的位不進行寫操作。在讀操作時，若所述地址鎖存模塊鎖存105的地址與當前需要讀取數據的地址一致，則所述讀模塊103直接從所述數據鎖存模塊105讀出數據；若地址鎖存模塊105鎖存的地址與當前需要讀取數據的地址不一致，則所述讀模塊103從所述相變存儲器需要讀取數據的地址讀出數據，並將讀出的數據鎖存至所述數據鎖存模塊105。圖3所示為本實施例的一種相變存儲器讀寫轉換方法的工作時序圖。在該時序中，在進行連續寫操作時，寫使能信號WE在每次寫錯做結束後需要復位來進行讀操作。讀操作的觸發則是由地址變化信號來觸發的，系統在地址監測模塊檢測到地址變化時，鎖存新的地址，同時讀寫脈衝發生模塊產生讀脈衝，存儲器進行讀操作，所述讀模塊103讀取地址鎖存模塊102的目標地址數據，並且在讀操作完成時將讀出的數據鎖存在數據鎖存模塊105中。當寫使能信號WE有效時，讀寫脈衝發生模塊產生寫脈衝，數據比對模塊106將比較每一位數據鎖存模塊105裡的數據和從IO 口輸入的待寫入數據，並輸出不同的位至所述寫模塊104，存儲器寫模塊104將需要進行寫操作的位進行正常的寫操作，在寫操作完成時，系統將新寫入的數據鎖存到數據鎖存模塊105中。此方法有利於降低存儲器的功耗，適用於功耗優先的應用場合。實施例3本發明還提供另一種相變存儲器的讀寫轉換系統的讀寫轉換方法，所述讀寫轉換方法至少包括以下步驟I)置寫使能一直有效，當待寫入數據相對於當前目標地址數據發生變化時，所述讀寫脈衝產生模塊101向所述寫模塊104發送寫脈衝，所述寫模塊104直接將相變存儲器IO 口輸入的待寫入數據寫入到目標地址；2)在寫操作完成時，將已寫入目標地址的數據鎖存至所述數據鎖存模塊105。圖4所示為本發明的一種相變存儲器讀寫轉換方法的工作時序圖。在該時序中，在進行連續寫操作時，寫使能信號WE —直有效，寫操作由地址變化觸發。系統在地址監測 模塊檢測到地址變化時，所述地址鎖存模塊102鎖存目標地址，同時讀寫脈衝發生模塊產生寫脈衝，系統跳過寫前讀階段和數據比對階段，直接將IO埠輸入的待寫入數據寫入到目標地址。寫操作完成時，將IO埠數據鎖存到數據鎖存模塊105中，從而完成此次寫操作。此時序適合速度優先的應用場合。綜上所述，本發明提供一種相變存儲器的讀寫轉換系統及方法，所述讀寫轉換系統包括用於產生讀脈衝及寫脈衝的讀寫脈衝產生模塊101、用於鎖存需要進行操作的目標地址的地址鎖存模塊102、用於讀取目標地址相變存儲單元的數據的讀模塊103、用於將待寫入的數據寫入到目標地址的相變存儲單元的寫模塊104、用於鎖存所述讀模塊103讀出的目標地址的數據或者所述寫模塊104已經寫入目標地址的數據的數據鎖存模塊105、以及用於比較目標地址的數據和待寫入數據的數據比對模塊106。本發明能夠通過控制讀寫次序使相變存儲器自動在速度優先模式和功耗優先模式間切換，從而達到在不降低存儲器系統可靠性的前提下，對於功耗優先的應用場合，最大限度地降低存儲器的操作功耗的目的。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種相變存儲器的讀寫轉換系統，其特徵在於，所述讀寫轉換系統至少包括 讀寫脈衝產生模塊，用於產生讀脈衝及寫脈衝； 地址鎖存模塊，用於鎖存需要進行操作的目標地址； 讀模塊，連接於所述地址鎖存模塊及讀寫脈衝產生模塊，用於讀取目標地址相變存儲單元的數據； 寫模塊，連接於所述地址鎖存模塊及讀寫脈衝產生模塊，用於將待寫入的數據寫入到目標地址的相變存儲單元； 數據鎖存模塊，連接於所述讀模塊及寫模塊，用於鎖存所述讀模塊讀出的目標地址的數據或者所述寫模塊已經寫入目標地址的數據； 數據比對模塊，連接於所述數據鎖存模塊及寫模塊，用於比較目標地址的數據和待寫入的數據。
2.根據權利要求I所述的相變存儲器的讀寫轉換系統，其特徵在於所述讀寫轉換系統的讀寫操作包括多位數據的並行讀寫操作。
3.根據權利要求I所述的相變存儲器的讀寫轉換系統，其特徵在於所述讀寫脈衝產生模塊在每次讀或者寫操作被觸發時產生讀脈衝或者寫脈衝。
4.根據權利要求I所述的相變存儲器的讀寫轉換系統，其特徵在於所述地址鎖存模塊在讀操作或者寫操作開始時鎖存需要進行操作的目標地址數據。
5.根據權利要求I所述的相變存儲器的讀寫轉換系統，其特徵在於所述數據鎖存模塊在讀操作結束時鎖存讀出的目標地址數據或者在寫操作結束時鎖存已寫入目標地址的數據。
6.一種如權利要求Γ5任意一項所述的相變存儲器的讀寫轉換系統的讀寫轉換方法，其特徵在於，所述讀寫轉換方法至少包括以下步驟 O置寫使能無效，所述地址鎖存模塊鎖存需要操作的目標地址，讀模塊開始讀取目標地址的數據，並在讀操作結束時將讀取的目標地址數據鎖存至數據鎖存模塊； 2)從相變存儲器IO埠向所述數據鎖存模塊輸入待寫入的數據，通過所述數據比對模塊比對出數據鎖存模塊中的數據和待寫入的數據中不同的位； 3)置寫使能有效，寫模塊對所述數據鎖存模塊中的數據和待寫入的數據不同的位進行寫操作，並在寫操作結束時將已寫入的數據鎖存到數據鎖存模塊中。
7.根據權利要求6所述的相變存儲器的讀寫轉換系統的讀寫轉換方法，其特徵在於所述的數據比對模塊一直對數據鎖存模塊中的數據和相變存儲器IO埠輸入的待寫入數據進行對比。
8.根據權利要求6所述的相變存儲器的讀寫轉換系統的讀寫轉換方法，其特徵在於在寫操作時，所述數據比對模塊比對出目標地址數據和待寫入數據中不同的位，然後通過所述寫模塊對這些位進行寫操作，並跳過那些數據相同的位不進行寫操作。
9.根據權利要求6所述的相變存儲器的讀寫轉換系統的讀寫轉換方法，其特徵在於在讀操作時，若所述地址鎖存模塊鎖存的地址與當前需要讀取數據的地址一致，則所述讀模塊直接從所述數據鎖存模塊讀出數據；若地址鎖存模塊鎖存的地址與當前需要讀取數據的地址不一致，則所述讀模塊從所述相變存儲器需要讀取數據的地址讀出數據，並將讀出的數據鎖存至所述數據鎖存模塊。
10.一種如權利要求Γ5任意一項所述的相變存儲器的讀寫轉換系統的讀寫轉換方法，其特徵在於，所述讀寫轉換方法至少包括以下步驟 1)置寫使能一直有效，當待寫入數據相對於當前目標地址數據發生變化時，所述讀寫脈衝產生模塊向所述寫模塊發送寫脈衝，所述寫模塊直接將相變存儲器IO 口輸入的待寫入數據寫入到目標地址； 2)在寫操作完成時，將已寫入目標地址的數據鎖存至所述數據鎖存模塊。
全文摘要
本發明提供一種相變存儲器的讀寫轉換系統及方法，所述讀寫轉換系統包括用於產生讀脈衝及寫脈衝的讀寫脈衝產生模塊、用於鎖存需要進行操作的目標地址的地址鎖存模塊、用於讀取目標地址相變存儲單元的數據的讀模塊、用於將待寫入的數據寫入到目標地址的相變存儲單元的寫模塊、用於鎖存所述讀模塊讀出的目標地址的數據或者所述寫模塊已經寫入目標地址的數據的數據鎖存模塊、以及用於比較目標地址的數據和待寫入數據的數據比對模塊。本發明能夠通過控制讀寫次序使相變存儲器自動在速度優先模式和功耗優先模式間切換，從而達到在不降低存儲器系統可靠性的前提下，對於功耗優先的應用場合，最大限度地降低存儲器的操作功耗的目的。
文檔編號G11C16/26GK102831929SQ201210324598
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月4日 優先權日2012年9月4日
發明者李喜, 宋志棠, 陳後鵬, 蔡道林 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所