专利名称：一种相变存储器的高速数据写入结构及写入方法
技术领域：
本发明涉及相变存储器，特别涉及一种相变存储器的高速数据写入结构及写入方法。
背景技术：
相变存储器(PRAM)是目前常用的存储器件，其主要原理是通过施加不同大小的特殊脉冲，导致相变材料局部区域因不同温度而产生非晶态(amorphous state)与晶态 (crystalline state)的变化。通常用非晶态表示逻辑“ 1”，晶态表示逻辑“O”来存储数据。PRAM与目前其他动态存储器(DRAM)，闪存(Flash)相比具有以下明显优势一、驱动电压低；二、功耗小；三、读写速度快；四、PRAM可适用抗辐射。此外,使用28nm及以下CMOS制程，PRAM的性能可能更稳定,更可靠。然而，尽管PRAM在读写速度上优于FLASH大约10倍及以上，但其写入速度慢于 DRAM大约100倍及以上。目前的相变存储器的数据写入方法主要是采用写入结构在相变材料上加一个电流脉冲。其中，电流脉冲的示意图如图I所示。由写入电路产生的设置(SET)操作电流11 被加入到相变材料，使其发生非晶态到晶态的转变；重置(RESET)操作电流12被加入到相变材料，使其发生晶态到非晶态的转变。如果相变过程正确完成，则电流脉冲结束后，相变材料维持对应的状态直到下一次写入操作。传统的写入结构，如图2所示，包括比较电路21和写入电路22。其中，先由比较电路21根据从阵列读取的数据和需要被写入的数据，判断需要SET和RESET操作的数据位， 然后针对要操作的数据位为写入电路22施加SET电流11和RESET电流12，写入电路22将需要被写入的数据逐位/多位写入数据位中。可见，现有的写入结构和写入方法具有如下明显缺陷一、由于RESET电流12的瞬间峰值很高，且时间很短，导致当所有数据位要求进行 RESET操作时，将产生强大的瞬间峰值电流；二、写入数据的时间明显延长为SET操作时间(tSET)与RESET操作时间(tRESET) 的和。在现代PRAM的设计中，PRAM单一数据位的SET与RESET的电流都降低了，但是由于需要提高写入速度，同时写入(或页面模式page mode)的数据位更多，因此写入操作时峰值电流明显增大，写入时间明显增加。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种相变存储器的高速数据写入结构及写入方法，以提高数据写入的速度。本发明进一步的目的是在提高写入速度的同时，降低功耗。为达到上述的主要目的，本发明提供了一种相变存储器的高速数据写入结构，包括比较电路、包含N个数据位和一个标志位的数据存储单元、N+1个写入电路以及控制电路。所述比较电路对从阵列读取的数据和需要被写入的数据进行比较，将比较结果发送给控制电路。所述N+1个写入电路中第一写入电路用于对所述数据存储单元的标志位执行设置/重置(SET/RESET)操作，N个写入电路分别用于对所述数据存储单元的N个数据位执行 SET/RESET 操作。所述控制电路接收从阵列读取的数据和需要被写入的数据，以及比较电路发送的比较结果；根据比较结果，在所述数据存储单元中所有数据位执行相同的SET操作或RESET 操作时，仅控制所述第一写入电路对所述标志位执行SET操作或RESET操作；在要执行 RESET操作的数据位数量大于预定值时，将要执行RESET操作的数据位改为要执行SET操作，并控制所述第一写入电路改变所述标志位，同时控制要执行SET操作的数据位对应的写入电路，执行SET操作；在要执行RESET操作的数据位数量不大于预定值时，同时控制要执行SET操作和/或RESET操作的数据位对应的写入电路，执行SET操作和/或RESET操作。较佳地，所述控制电路通过向所述写入电路传送控制信号和SET电流或RESET电流，控制所述写入电路执行所述SET操作或RESET操作。较佳地，所述控制电路中包括存储了预定的RESET操作分组方式的存储模块；在执行RESET操作时，先对要执行RESET操作的数据位按存储模块中的分组方式进行分组；再按照分组的顺序，一组一组地分时控制对应的写入电路执行RESET操作。本发明还提供了一种相变存储器的高速数据写入方法，该方法采用上述的高速数据写入结构，包括如下步骤A、所述比较电路对从阵列读取的数据和需要被写入的数据进行比较，将比较结果发送给控制电路；B、控制电路根据比较结果，在所述数据存储单元中所有数据位执行相同的SET操作或RESET操作时，执行步骤C ;在要执行RESET操作的数据位数量大于预定值时，执行步骤D ;在要执行RESET操作的数据位数量不大于预定值时，执行步骤F ；C、仅控制所述第一写入电路对所述标志位执行SET操作或RESET操作，结束；D、将要执行RESET操作的数据位改为要执行SET操作；E、控制所述第一写入电路改变所述标志位，同时控制要执行SET操作的数据位对应的写入电路，执行SET操作；F、同时控制要执行SET操作和/或RESET操作的数据位对应的写入电路，执行SET 操作和/或RESET操作。较佳地，该方法进一步包括步骤B中，如果在要执行RESET操作的数据位数量大于预定值时，还有要执行SET操作的数据位，则将要执行的SET操作删除。较佳地，所述数据存储单元的标志位用于标识相变材料的非晶态表示逻辑“I”、晶态表示逻辑“O” ；或者相变材料的非晶态表示逻辑“O”、晶态表示逻辑“ I ”。较佳地，所述的预定值为数据存储单元中包含数据位的总数的一半；所述数据存储单元中包含数据位的总数为该相变存储器能够一次写入的数据位的数量。为达到上述进一步的目的，在本发明的较佳实施例中，所述RESET操作包括如下步骤el、对要执行RESET操作的数据位按预定方式进行分组；e2、按照分组的顺序，一组一组地分时控制对应的写入电路执行RESET操作。较佳地，该方法还包括预先设置写入数据的最大允许电流值；所述步骤el分组为每组要执行RESET操作的数据位数量相同或不同；该分组使得每组执行RESET操作的平均或最大RESET电流小于所述最大允许电流值。由上述的实施例可见，本发明通过对数据存储单元增加一个标志位，并在写入结构中增加一个控制电路。可以实现在所述数据存储单元中所有数据位执行相同的SET操作或RESET操作时，仅控对所述标志位执行SET操作或RESET操作；在要执行RESET操作的数据位数量大于预定值时，将要执行RESET操作的数据位改为要执行SET操作和/或将要执行SET操作的数据位改为执行RESET操作，并控制改变所述标志位，同时控制要执行SET操作和/或RESET操作的数据位对应的写入电路，执行SET操作和/或RESET操作。因此，加快了写入速度。另外，在本发明的较佳实施例中，通过对RESET操作进行分组的分时执行，降低了写数据时的RESET的瞬时电流，能够降低功耗。
图I为SET脉冲电流和RESET脉冲电流的示意图；图2为现有技术相变存储器的数据写入结构示意3为本发明一较佳实施例的数据写入结构示意4为本发明一较佳实施例的数据写入方法流程5为图4所示实施例写入过程中SET电流和RESET电流的示意图。
具体实施例方式以下参照附图，并举具体实施例对本发明进行详细说明。本发明一较佳实施例的数据写入结构如图3所示，包括比较电路31、控制电路 32、包含N个数据位34和一个标志位35的数据存储单元以及N+1个写入电路33。所述比较电路31对从阵列读取的数据和需要被写入的数据进行比较，将比较结果发送给控制电路32。所述N+1个写入电路33中第一写入电路(图3中为写入电路O)用于对所述数据存储单元的标志位35执行设置/重置(SET/RESET)操作。N个写入电路33分别用于对所述数据存储单元的N个数据位34执行SET/RESET操作。所述控制电路32接收从阵列读取的数据和需要被写入的数据，以及比较电路31 发送的比较结果，根据比较结果，分别执行I、在所述数据存储单元中所有数据位执行相同的SET操作或RESET操作时，仅控制所述第一写入电路对所述标志位执行SET操作或RESET操作。2、在要执行RESET操作的数据位数量大于预定值时，将要执行RESET操作的数据位改为要执行SET操作，并控制所述第一写入电路改变所述标志位，同时控制要执行SET操作的数据位对应的写入电路，执行SET操作。3、在要执行RESET操作的数据位数量不大于预定值时，同时控制要执行SET操作和/或RESET操作的数据位对应的写入电路，执行SET操作和/或RESET操作。如图3所示，所述控制电路32通过向所述写入电路33传送控制信号和SET电流或RESET电流，控制所述写入电路33执行所述SET操作或RESET操作。本实施例中，控制电路32中包括存储了预定的RESET操作分组方式的存储模块； 在执行RESET操作时，先对要执行RESET操作的数据位按存储模块中的分组方式进行分组； 再按照分组的顺序，一组一组地分时控制对应的写入电路执行RESET操作。本发明一较佳实施例的数据写入方法的流程如图4所示，该流程基于图3所示写入结构实现，包括以下步骤步骤401、比较电路对从阵列读取的数据和需要被写入的数据进行比较，将比较结果发送给控制电路。步骤402、控制电路对比较结果进行判断，如果比较结果为步骤403的内容，则执行步骤404 ;如果比较结果为405的内容，则执行步骤406。步骤403、数据存储单元中所有数据位执行相同的SET操作或RESET操作。步骤404、仅控制所述第一写入电路对所述标志位执行SET操作或RESET操作，结束此次写操作。与现有技术相比，这种情况下现有技术需要对数据存储单元的N个数据位分别进行SET操作或RESET操作。而本发明只需执行一次SET操作或RESET操作，显著提高了写入速度。本实施例中所述数据存储单元的标志位用于标识两种逻辑第一种逻辑相变材料的非晶态表示逻辑“I”、晶态表示逻辑“O”;第二种逻辑或者相变材料的非晶态表示逻辑“O”、晶态表示逻辑“I”。由于标志位的改变，可能导致阵列中数据的逻辑与实际相反。因此，在从阵列读取数据时，要同时查看该数据存储单元的标志位，如果逻辑与实际相反，需要做一个转换，即将“I”、“O”互换。步骤405、数据存储单元中有部分数据位要执行RESET操作。步骤406、判断要执行RESET操作的数据位数量是否大于数据存储单元中包含数据位的总数的一半，如果是，则执行步骤407 ;否则同时执行步骤409和步骤410。本实施例中，是在要执行RESET操作的数据位数量大于数据存储单元中包含数据位的总数的一半的情况下，将RESET操作改变为SET操作；在其他实施例中，可以根据不同情况预先设置不同的值，例如当仅有需要执行RESET操作的情况下，另外再设一个不同的数值等等。步骤407、将要执行RESET操作的数据位改为要执行SET操作，如果此次写入操作还要执行部分SET操作，则将要执行的SET操作删除。然后，同时执行步骤408和409后，结束。
本实施例中，如果在RESET操作改变为SET操作前，同时有要执行的SET操作，则将要执行的SET操作删除。这是因为，在进行SET操作时要同时执行标志位的改变，当标志位改变后，原本的SET操作相当于已经执行了。这样，进一步提高了写入的速度。步骤408、控制所述第一写入电路改变所述标志位。本步骤中，假设用“ I ”表示第一逻辑，用“O”表示第二种逻辑；则如果原标志位为 “ I ”，改变该标志位就是执行SET操作；反之就是执行RESET操作。步骤409、控制要执行SET操作的数据位对应的写入电路，执行SET操作。步骤410、对要执行RESET操作的数据位按预定方式进行分组。步骤411、按照分组的顺序，一组一组地分时控制对应的写入电路执行RESET操作。本实施例中，预先设置了分组的方式和写入数据的最大允许电流值。具体地，分组方式可以是平均分组也可以是不平均分组。在设置分组方式时，要保证分组后使得每组执行RESET操作的平均或最大RESET电流小于所述最大允许电流值。本实施例中，假设进行了不平均的分组。假设，一个数据存储单元包含32个数据位，在一次写入数据时要执行10个数据位的RESET操作和10个数据位的SET操作。则将要执行RESET操作的数据位分为4组第一组I个数据位、第二组2个数据位、第三组3个数据位、第四组4个数据位。这种情况下，在一次数据写入时，其SET电流和RESET电流的情况如图5所示，不论是SET电流还是RESET都没有超过预定的最大允许电流值。这样，通过标志位与嵌入式写入操作，一次32位的写入操作时间由原来的多次(tSET+tRESET)降低到最多一次tSET。 此外，由于SET操作的电流远小于RESET操作的电流，写入操作的功耗被降低。由上述的实施例可见，应用本发明实施例能够提高写入速度的同时降低功耗。
权利要求
1.一种相变存储器的高速数据写入结构，其特征在于包括比较电路、包含N个数据位和一个标志位的数据存储单元、N+1个写入电路以及控制电路；所述比较电路对从阵列读取的数据和需要被写入的数据进行比较，将比较结果发送给控制电路；所述N+1个写入电路中第一写入电路用于对所述数据存储单元的标志位执行设置/重置(SET/RESET)操作，N个写入电路分别用于对所述数据存储单元的N个数据位执行SET/ RESET操作；所述控制电路接收从阵列读取的数据和需要被写入的数据，以及比较电路发送的比较结果；根据比较结果，在所述数据存储单元中所有数据位执行相同的SET操作或RESET操作时，仅控制所述第一写入电路对所述标志位执行SET操作或RESET操作；在要执行RESET操作的数据位数量大于预定值时，将要执行RESET操作的数据位改为要执行SET操作，并控制所述第一写入电路改变所述标志位，同时控制要执行SET操作的数据位对应的写入电路， 执行SET操作；在要执行RESET操作的数据位数量不大于预定值时，同时控制要执行SET操作和/或RESET操作的数据位对应的写入电路，执行SET操作和/或RESET操作。
2.如权利要求I所述的高速数据写入结构，其特征在于所述控制电路通过向所述写入电路传送控制信号和SET电流或RESET电流，控制所述写入电路执行所述SET操作或 RESET操作。
3.如权利要求I所述的高速数据写入结构，其特征在于所述控制电路包括存储了预定的RESET操作分组方式的存储模块；在执行RESET操作时，先对要执行RESET操作的数据位按存储模块中的分组方式进行分组；再按照分组的顺序，一组一组地分时控制对应的写入电路执行RESET操作。
4.一种相变存储器的高速数据写入方法，其特征在于采用权利要求I所述的高速数据写入结构，其包括如下步骤A、所述比较电路对从阵列读取的数据和需要被写入的数据进行比较，将比较结果发送给控制电路；B、控制电路根据比较结果，在所述数据存储单元中所有数据位执行相同的SET操作或 RESET操作时，执行步骤C ;在要执行RESET操作的数据位数量大于预定值时，执行步骤D ； 在要执行RESET操作的数据位数量不大于预定值时，执行步骤F ；C、仅控制所述第一写入电路对所述标志位执行SET操作或RESET操作，结束；D、将要执行RESET操作的数据位改为要执行SET操作；E、控制所述第一写入电路改变所述标志位，同时控制要执行SET操作的数据位对应的写入电路，执行SET操作；F、同时控制要执行SET操作和/或RESET操作的数据位对应的写入电路，执行SET操作和/或RESET操作。
5.如权利要求4所述的高速数据写入方法，其特征在于，该方法进一步包括步骤B 中，如果在要执行RESET操作的数据位数量大于预定值时，还有要执行SET操作的数据位， 则将要执行的SET操作删除。
6.如权利要求4所述的高速数据写入方法，其特征在于，所述数据存储单元的标志位用于标识相变材料的非晶态表示逻辑“I”、晶态表示逻辑“O” ；或者相变材料的非晶态表示逻辑“O”、晶态表示逻辑“ I ”。
7.如权利要求4所述的高速数据写入方法，其特征在于，所述的预定值为数据存储单元中包含数据位的总数的一半；所述数据存储单元中包含数据位的总数为该相变存储器能够一次写入的数据位的数量。
8.如权利要求4所述的高速数据写入方法，其特征在于，所述RESET操作包括如下步骤el、对要执行RESET操作的数据位进行分组；e2、按照分组的顺序，一组一组地分时控制对应的写入电路执行RESET操作。
9.如权利要求8所述的高速数据写入方法，其特征在于，该方法还包括预先设置最大允许电流值；所述步骤el分组为每组要执行RESET操作的数据位数量相同或不同；该分组使得每组执行RESET操作的平均或最大RESET电流小于所述最大允许电流值。
全文摘要
本发明公开了一种相变存储器的高速数据写入结构和写入方法，包括比较电路、包含N个数据位和一个标志位的数据存储单元、N+1个写入电路以及控制电路；所述比较电路对从阵列读取的数据和需要被写入的数据进行比较，将比较结果发送给控制电路；所述N+1个写入电路中第一写入电路用于对所述数据存储单元的标志位执行设置/重置(SET/RESET)操作，N个写入电路分别用于对所述数据存储单元的N个数据位执行SET/RESET操作；所述控制电路根据比较结果，控制N+1个写入电路对标志位和N个数据位执行不同的SET/RESET操作。应用本发明能够加快数据写入速度、降低功耗。
文档编号G11C11/56GK102592665SQ20121003665
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月17日 优先权日2011年10月24日
发明者洪红维, 黄崇礼 申请人:北京时代全芯科技有限公司