探讨相变存储器的多值特性在三进制存储计算方

时间:2019-09-27

摘 要

　　大数据时代对存储器提出了更高的要求，相变存储器作为最有发展前景的新型存储器件，有着低功耗、多值存储、擦写速度快等优点，被认为是下一代主流存储器件之一。其中利用晶态和非晶态之间巨大差异这一特征实现的多值存储技术对于提升相变存储器存储密度和扩大应用范围均有重要意义。另一方面，相变存储器有非易失性，故在内存计算方面也有广泛应用，被认为有助于改善计算机体系结构降低功耗并提升工作效率。本文的研究目标是利用相变存储器的多值特性，挖掘其在三进制存储计算方面的应用。

　　本文通过介绍现有的模型，从中寻找脉冲施加前后相变存储单元电阻变化规律，提出了一种适用于 Pore 型相变存储单元的电路行为模型。利用双电容模拟相变存单元两端施加脉冲的操作方式，用 RC 电路电容电荷量的变化等效电阻的变化规律，电容充放电分别对应于相变存储单元的非晶化和晶化行为，简化了利用相变存储器仿真逻辑运算和算术运算，且使得结果更加直观。

　　采用提出的模型建立功能仿真系统。通过阻值比较实现了基本的逻辑运算。通过施加 RESET 脉冲，然后放大读电流，再经过模数转换将电阻状态变为二进制数最后将二进制转换为对应的三进制并处理进位值实现了非平衡三进制的二位和四位加法计算。另外，本文还提出了一种利用相变存储器实现伪三值计算即并行二进制计算的算法，实现了二位和四位二进制并行计算。最后，借鉴非平衡三进制的方法，改变初始状态等参数，实现了平衡三进制的逻辑运算和串行加法计算。

　　关键词：相变存储器 计算 电路行为模型 平衡三进制 非平衡三进制

Abstract

　　In the era of big data, higher requirements are placed on memory. As the most promising new memory device, phase change memory has the advantages of low power consumption, multilevel storage, fast erasing speed and so on, and it is considered to be one of the next generation mainstream memory devices. The multilevel storage technology that is according to the huge difference between the crystalline state and the amorphous state is important for improving the storage density of the phase change memory and expanding the scope of application. On the other hand, phase change memory is non-volatile, so it is widely used for in-memory computing. It is believed that it can improve computer architecture, reduce power consumption and improve work efficiency. The research goal of this paper is to explore the application of phase change memory in ternary computing based on the characteristic of multilevel.

　　In this paper, the existing model is introduced, and the variation of phase change memory cell resistance after pulse application is found. A circuit behavior model that is suitable for Pore-type phase change memory cell is proposed. Using two capacitorssimulates phase-change memory cell that is applied with pulses at both ends. The change of the charge of capacitance is equivalent to resistance's variation. Charging and discharging processes of the capacitor can simulate the amorphization and crystallization processes respectively. This model simplifies the use of phase change memory to simulate logic operations and arithmetic operations, and makes the results more intuitive.

　　A functional simulation system is built using the proposed model. The basic logic operation is realized by resistance comparison. Applying RESET pulse, then amplifying the read current, and then converting the resistance state to binary numbers through analog-to-digital conversion, and finally converting the binary numbers to the corresponding ternary and processing the carry value to realize the unbalanced ternary addition of two and four bits. In addition, this paper also proposes an algorithm that uses pseudo-three-value computing （or binary parallel computing） and realizing two bits and four bits binary parallel computing. Finally, changing the parameters such as the initial state, the logic operation and serial addition computing of balanced ternary are realized by using the unbalanced ternary method.

　　Keywords:Phase change memory Computing Equivalent circuit model Balanced ternary Unbalanced ternary

目录

　　1绪论

　　1.1引言

　　2013年德国汉诺威工业博览会提出了“工业4.0”的概念，拉开了第四次工业革命的序幕。其核心思想是把数据作为原料，以CPPS（信息物理生产系统）为核心技术，将工业系统和互联网技术进行深度融合进而推动工业改革，因此数据的重性可见一斑。另一方面，人们正处于海量信息的时代，现在云计算、互联网+、物联网、人工智能等互联网技术正蓬勃发展，这些无一不需要大量数据的支撑。在个以数据为中心的时代，如何将大量数据稳定存储并进行高效读取则是人们面临的一大挑战。同时，传统的冯·诺依曼体系结构因为其存储计算分离使得总线传输速度成为制约计算机处理能力的瓶颈。

　　目前研究人员提出了一种内存计算的解决方案，即存储器上同时实现存取和计算功能，如果能够实际应用，将大大提高计算机性能。过去几十年DRAM已经有了长足的发展，但是其功耗问题始终得不到解决，工艺尺寸也到达了临界点。以闪存（Flash）为代表的块寻址非易失性存储器也面临着编程噪声、单元串扰等问题[1].相变存储器（PCM）、阻变存储器（RRAM）、自旋存储器（STT-RAM）等字节寻址非易失性存储器为扩展内存和推动计算机系统结构改变提供了新的解决思路[2].表1-1从特征尺寸、读写时间、寿命等多方面展示了不同种类的几大主流存储器的对照[3].

　　1绪论

　　1.1引言

　　2013年德国汉诺威工业博览会提出了“工业4.0”的概念，拉开了第四次工业革命的序幕。其核心思想是把数据作为原料，以CPPS（信息物理生产系统）为核心技术，将工业系统和互联网技术进行深度融合进而推动工业改革，因此数据的重性可见一斑。另一方面，人们正处于海量信息的时代，现在云计算、互联网+、物联网、人工智能等互联网技术正蓬勃发展，这些无一不需要大量数据的支撑。在个以数据为中心的时代，如何将大量数据稳定存储并进行高效读取则是人们面临的一大挑战。同时，传统的冯·诺依曼体系结构因为其存储计算分离使得总线传输速度成为制约计算机处理能力的瓶颈。目前研究人员提出了一种内存计算的解决方案，即存储器上同时实现存取和计算功能，如果能够实际应用，将大大提高计算机性能。过去几十年DRAM已经有了长足的发展，但是其功耗问题始终得不到解决，工艺尺寸也到达了临界点。以闪存（Flash）为代表的块寻址非易失性存储器也面临着编程噪声、单元串扰等问题[1].相变存储器（PCM）、阻变存储器（RRAM）、自旋存储器（STT-RAM）等字节寻址非易失性存储器为扩展内存和推动计算机系统结构改变提供了新的解决思路[2].表1-1从特征尺寸、读写时间、寿命等多方面展示了不同种类的几大主流存储器的对照[3].

　　从表中可以看出，相较于 DRAM,相变存储器具有理论工艺制程级别小，功耗低，非易失等优点，同时在读写时间方面需要进一步提高。与 NAND Flash 相比，相变存储器理论工艺制程级别更小，读写时间大幅缩短，寿命更长，优势十分明显。其他的字节寻址非易失性存储器虽然在技术参数上与相变存储器不相伯仲，但是也各有各的问题：铁电存储器具有读破坏性，存储密度也有待提高；自旋存储器写功耗太大，大约为 1.6~5J/b,而其他存储器则小于 1J/b,而且其稳定性差；阻变存器目前的研究更多是在单管性能提升方面。相变存储器器件结构简单，能够实现多值存储，发展较早，研究更加成熟，市场应用更有优势。

　　1.2 相变存储器概述

　　Stanford R. Ovshinsky 于 1968 年发表了第一篇关于相变的论文，他在文中指出，Te 基化合物在电场作用下会产生快速且可逆的转变[4],结合硫系化合物相变材料在晶态和非晶态时其反光特性和电阻特性的巨大差异，他在一年后首次描述了基于相变理论的存储器，这成为相变存储器研究的开端。二十世纪八十年代，相变材料制成的具有实际应用价值的相变光盘引起了巨大轰动，光盘利用材料反光特性差异实现了存储单元“0”、“1”两个状态的稳定存储。此后数十年间，相变光盘不断发展并且在商业上取得了一定的成功。随着时代的发展，光盘的市场逐渐缩小，但是半导体产业的蓬勃发展给相变材料带来了新的生机，以 GeSbTe（GST）相变材料为代表的相变存储相关研究取得了长足的进步。随着研究的深入，相变存储器现在已经被用于诺基亚的 Asha 系列手机，有望取代闪存成为下一代主流存储器。相变材料和自然界的许多材料一样都具有晶态和非晶态两种状态。相变材料由于具有可以在状态之间快速重复转换且不同态具有巨大性质差异的特性，故能够被用于存储。当相变材料处于晶态时，其电阻值低，反之当处于非晶态时，其呈现高电阻状态，两者之间的差异达到了 3-4 个数量级。通过施加激光脉冲[5]或者电脉冲对材料进行加热来造成其晶态和非晶态之间的转换：当对相变材料进行 SET 操作，即施加一个持续时间较长、幅值中等的脉冲，处于非晶高阻状态的相变材料加热到恰好高于晶化温度而低于熔点时，原子迁移率增加[6],同时遵循“成核-生长”原则[7],焦耳热的不断产生促进了内部成核过程以及晶核的不断生长，最终晶核融合形成晶态；当施加一个持续时间较短而幅值较高的脉冲时，即进行RESET操作，相变材料被加热到熔点以上，使其液化后通过与周围环境接触迅速冷却，材料将会从熔融态转变为非晶态，原子长程无序；当需要读出单元的阻值时，则需要施加一个READ脉冲，其使得材料温度远低于晶化温度，不会对材料晶化产生影响，通过检测电流大小判断存储单元状态。当电流较小时，表明处于高阻态，对应逻辑值为1,相反，电流较大表明处于低阻态，对应逻辑值为0.

　　在实际测量中，为了确定恰好使相变单元发生相变的电压值或者电流值，通常采用直流扫描进行I-V特性测试的方法。直流电流进行I-V特性测量结果如图1-2所示。Vth表示阈值电压，当施加的电压逐渐增加直至超过Vth时，相变存储单元电流突然增大出现拐点，电流达到SET操作所需电流，电阻减小，当电流达到RESE操作所需电流时，电阻增大。

　　根据以上陈述的原理，人们在设计相变存储器的基本思路是将相变材料置于两块电极之间，通过对电极施加电脉冲来实现晶态与非晶态之间的转换。在此基础上，人们对相变存储器的结构进行了不断改革完善，已经提出了包括蘑菇型（T型）[9]、限制型（Pore型）[10]、柱形结构[11]和环状电极型[12]等在内的许多不同类型的单元结构，其目的不仅是最小化RESET电流，同时也要提高可靠性等性能并减少可变性。按照优化思路可以分为两大类：最小接触型单元结构和最小化体积单元结构[13].最小接触型单元结构的核心思想为减少电极与相变材料接触面积以提高热阻和热效率。以常见的T型结构为例，此结构迫使电流通过一个细长的金属加热器来集中热量的产生，导致相变区域大致呈现蘑菇状。接触最小化单元结构的主要优点是与相变材料沉积和隔离相关的工艺相对容易实现。最小化体积单元结构，其核心思想为减少相变层体积以降低RESET操作所需的电流，最典型的为限制型结构单元。与最小接触型结构相比，最小化体积单元结构优势在于对于给定尺寸的单元所需RESET电流更少，稳定性方面表现也更好，但是这种结构给制造技术提出了很高的要求，因为无论是用气相沉积的方法刻蚀小孔还是用相变材料填充，都对精度和操作提出了很高的要求。

　　1.3相变存储器

　　多值存储与传统的二值存储单元存取“0”和“1”两个状态不同，多值存储旨在实现一个存储单元上存储多位数据，这种技术能够极大提升存储密度，相较于传统将器件尺寸不断做小的方法有更大的实用价值。相变存储单元由于晶态和非晶态时阻值差别巨大，通常达到了三个数量级的差异，如果能够运用方法使得其中间阻值状态稳定存在，那么可分辨的不同阻值对应不同数据，即可实现多值存储。相变存储单元实现多值存储的意义还在于降低了存储单个数据的有效功耗，跟现有的DRAM和Flash存储技术相比更有竞争力。利用相变存储单元实现多值存储的方法大致可以分为三种：改变相变材料材质、改变相变单元结构和改变施加脉冲。改变相变材料材质一般通过掺杂实现。实验表明，N-GST薄膜相较于普通的GST薄膜，其晶化温度、相变温度和电阻率更高，无论是晶态还是非晶态，平均晶粒的尺寸大小都得到了大幅减少，有助于降低功耗提升寿命[14],同时由于晶态面心立方相的温度范围增大，在晶态六方（hex）相和非晶态之间得到了稳定的处于面心立方相的中间态[15].也有研究表明，空位有序立方GST相变材料由于Ge原子扩散引发准二维非晶化过程，获得了一种稳定的部分非晶相，可以用于三态数据存储[16].

　　人们在器件结构上的改变多采用多层相变材料薄膜堆叠的方法。相变材料由种或者不同的材料堆叠而成，由于电流是垂直方向流动，不同相变层受热不同，造成每个层在不同电流电压脉冲下最终状态不同而形成多级电阻。张毅等人通过这种层叠结构实现PRAM复位过程中的2位存储，其采用厚度均匀的Si16Sb33Te51相变层和不同厚度的多晶硅加热层，热模拟结果显示三个温度区内的三个相变层将逐层从多晶态转变为非晶态[17].

　　图1-6层叠结构横截面图相变存储器的状态切换是通过焦耳热引起，如果能够控制输入脉冲的能量，那么就能在一定程度上得到需要的阻值状态。目前，对脉冲进行调制主要是改变脉冲的幅值和持续时间，在实际操作中多改变下降沿斜率或者采用阶梯下降沿的方法[18],也有人提出了利用热积累效应，采用间隔时间较短的双脉冲，通过调节双脉冲的幅值和时间间隔等参数实现了四个阻态[19],相较于普通方法其功耗更低。“编程-验证”的迭代算法也能够得到中间态，由于不能精确控制施加脉冲后阻值大小，故在施加脉冲后均需要读出阻值然后根据阻值情况判断是否需要再施加脉冲对阻值进行调整直至阻值在预期范围内[20-22],在此基础上有关研究人员对外围电路进行了改良[23-24],使这种方法的稳定性、编程延迟、功耗等得到了提升。

　　因为多值特性，相变存储器已经得到了广泛应用，不仅实现了四则运算[25]和验证质因数[26]等基本的数学功能，而且在前沿神经形态计算和内存计算等方面也有涉及。有学者针对相变存储器存储计算一体化且存储密度高但是计算精度不高的特点，结合现有的计算机体系结构提出了一种混合精度计算方法，并对线性方程组进行了求解[27].人们在探索新的计算架构时，将眼光放在了模拟人脑进行信息收集处理方向，不仅降低了功耗，还能实现机器的自我学习。结合时下比较热门的人工智能，相变存储单元被用于模拟神经元，在模式识别[28-29]、研究数据相关性[30]等方面有着出色表现。

　　1.4三值逻辑

　　长期以来，与人类使用十进制不同，计算机和现代集成电路均采用二值逻辑电路，以高低电平表征1和0两个状态，但是随着器件微型化的大潮到来，这种二值逻辑的弊端也开始显现：存储密度较低、布线面积难以进一步减小、信号传输效率不高。人们开始从这种以2为基数的计数方式延展到一种以3甚至更大数为基数的进制并逐渐完备其逻辑与数学运算法则，提出多值逻辑，其中研究较多并取得一定进展的当属三值逻辑。1840年英国发明家ThomasFowler首先制作出了利用三进制进行计算的机器[31],其采用的状态集合为[0,1,2].后来人们提出了一种状态集合为[-1,0,1]的三值逻辑这种集合的好处是正负号一致性减少了乘法过程中的进位，而加法表只有两个对称的进位而不是三个，此外负号表示法使代数系统在所有算术运算中更有效，不需要为符号添加额外的位，因此被有的学者称为最漂亮的数字系统[32].为了防止混淆，人们将第一种三值逻辑称为非平衡三值逻辑，而将后者称为平衡三值逻辑。关于三值逻辑应用和电路的研究最早可以追溯到上世纪中期。在1958年，两位俄罗斯发明家SergeiSobolev和NikolayBrusentsov开发了一款名为Setun的三值计算机，其主要使用磁芯来实现计算。

　　后来由于CMOS工艺的不断发展，又陆续提出了逻辑电路必不可少的基于三值逻辑的触发器、动态移位寄存器、存储器等等。有了器件基础，加拿大女王大学实验室于1984年首先研制出了三值计算机，虽然后来仍旧是二值计算机占领绝对主导地位，但是这一研究仍旧具有长远的意义。后来，人们又陆续尝试将一些新的材料器件用于三进制电路研究，比如CNFET,单电子晶体管等等。在我国，上海大学的金翊教授从构造计算机的基本原则和光的基本特性出发，首次将光强度与偏振方向结合起来表示三值信息，利用液晶的旋光效应和偏振器来实现三种光学状态的相互转换和迁移，提出了一种全新的光计算机理论--三值光计算机[33],经过多年发展，于2017年实现了36位并行加法器，三值光学处理器的可重构性、MSD并行加法器进入实际工作阶段。

　　1.5本文的研究目的和内容安排

　　相变存储器不仅具有功耗低、擦写速度快等优点，非易失性和多值存储的特性更使得其在存储计算一体化方面具有得天独厚的优势，拥有十分广阔的发展前景。本文着眼于相变存储器在多值计算方面的应用前景，选取以三进制计算为切入点，将多值存储与计算结合。本文为简化基于相变存储器的计算提出了一种电路行为模型仿真施加脉冲后电阻变化行为，在此基础上，分别针对非平衡三进制和平衡三进制，运用模型对基本的逻辑运算和加法运算进行了仿真。同时，本文还提出了一基于相变存储器多值存储实现二进制并行加法计算的方法，建立了仿真系统并验证了方案的正确性。

　　第一章绪论部分主要介绍了相变存储器和三值逻辑的相关知识，陈述了研究的目的和意义。首先介绍了新时代背景下对存储器的要求，再通过不同存储器之间性能比较说明了相变存储器的优势。接下来阐述了相变存储器的基本原理、发展历史和常见结构，说明了不同结构之间的区别。然后针对相变存储器的多值存储进行了详细介绍，包括其意义和实现方法等，并对利用相变存储器多值特性的一些前沿应用进行了阐述。最后介绍了三值逻辑的两种编码方式和三值逻辑的研究进展。

　　第二章从相变存储器现有的模型出发，介绍了现有模型在计算复杂度上面的弊端所在。通过分析现有模型下相变存储单元在施加脉冲之后电阻值的变化规律，出了一种基于双向操作的双端口电路模型用于Pore型相变存储器电阻变化行为模拟，用电容电荷量的变化表征相变存储单元电阻值的变化情况。通过推导证明了模型的等效性并进行了简单的计算仿真模拟。

　　第三章从非平衡三值计算的角度，先阐述了非平衡三值的基本知识，包括编码方式、算术逻辑和循环移位等在内的运算的定义。接下来介绍了运用相变存储器实现非平衡三值的与或非逻辑运算和并行二位和四位加法计算的算法，利用仿真说明了方案的正确性。最后，借助于相变存储器多值特性，提出了一种伪三值并行加法计算的算法并建立了仿真系统。

　　第四章则先阐述了平衡三值的编码、运算定义等相关知识，在此基础上，实现了运用相变存储器完成平衡三进制的与或非三种基本逻辑运算仿真工作。最后提出了一种基于相变存储器实现平衡三进制计算的算法并利用仿真完成了二位串行加法运算。

　　第五章系统地回顾了本文所做工作，对每一章主要工作内容进行了总结，陈述自己所做工作的同时分析了自己的不足之处，对未来的一些研究进行了展望。

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　　2相变存储单元行为模型
　　2.1相变存储单元HSPICE模型
　　2.2相变存储器双端口模型
　　2.3基本计算仿真
　　2.4本章小结

　　3非平衡三进制计算
　　3.1非平衡三进制计算定义
　　3.2非平衡三进制计算仿真
　　3.3伪三进制计算仿真
　　3.4本章小结

　　4平衡三值计算
　　4.1平衡三进制计算定义
　　4.2平衡三进制计算仿真
　　4.3本章小结

5总结与展望

　　5.1总结

　　目前由于冯·诺依曼体系结构的局限，人们将目光投向了内存计算等方面以构建新的计算机系统结构。相变存储器由于其在存储方面表现出的优良特性，在新型存储器中占有重要地位。由于其非易失性和多值特性，利用相变存储单元实现计算的相关研究已经层出不穷。本文主要研究是在简化现有Pore型相变存储器模型的基础上，利用提出的基于相变存储器的电路模型实现平衡三进制和非平衡三进制的计算。本论文的主要工作总结如下：首先分析了相变存储器相对其他存储器的优势，简要介绍了相变存储器发展历史，说明了相变存储器的相关原理、基本结构和常见操作。在此基础上，介绍了相变存储器的多值存储和实现方法，概述了三进制的基本概念和研究进展。其次在现有模型的基础上，提出了一种相变存储器的简单行为模型并通过推导证明了模型的等效性。

　　其主要思想是用RC电路电容电荷量的变化表征相变存储单元阻值的变化，相比现有模型，大大减少了总计算量，而且施加脉冲后对应的逻辑算术值更加直观。利用模型，对相变存储器的数值加减计算和二进制逻辑运算进行了仿真实验。接下来介绍了非平衡三进制包括运算定义数值表示在内的基本知识，提出了相变存储器实现基本与或非逻辑运算的算法并进行了仿真。通过介绍一些三进制特有的规则和电路，提出了读取相变存储器状态转化为三位二进制，通过二进制转化为三进制并进行后续处理实现加法的算法，采用第二章的模型搭建仿真系统验证了方案的正确性并实现了二位和四位非平衡三进制的加法计算。

　　另外还提出了基于相变存储器实现伪三值并行加法计算的方案，即位并行计算后通过模数转换提取出相变存储单元中的进位和数值信息，再通过后续位处理部分进行整理输出，并采用第二章的模型搭建仿真系统实现了二位和四位加法，说明了方案的正确性。最后对相变存储器在平衡三进制方面的应用进行了探讨。介绍了平衡三进制数的表示和逻辑运算的定义等等，利用相变存储器实现了与或非三种基本逻辑运算的仿真。提出了一种实现基于相变存储器实现平衡三进制串行加法的算法，将相变存储器状态转化为二进制再转化为三进制输出，着重讨论了进制转化部分、存储模型的改动和计算误差等方面。二位平衡加法的仿真实验结果表明算法是正确可行的。

　　5.2展望

　　本文提出了一种仿真模型，但是对利用模型进行计算的几个仿真系统是独立的，如果能够加以整合使得其能够在一个界面中实现将会使方案更加完善。同时，在进行平衡三值和非平衡三值的加法计算时，由于只是借助于Simulink进行了功能仿真说明了方案的正确性，进一步可以考虑借助电路级仿真软件从延时、功耗等方面与现有技术进行比较。在平衡三值的加法方面，由于T和1相加等于0的特性，可以考虑借助两个相变存储单元分别存储符号位和数值位，不同于所提出的模型而从电流矢量叠加等方面进行尝试。利用相变存储器的非易失性和多值特性实现计算存储一体化还有很多方面可以探究，本文探讨其在三进制方面的应用也仅仅是一些很小的方面，更广阔的天地还有待相关人员更加深入的探索。

　　致谢
　　参考文献

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