STT-MTJ建模和相关保留寄存器的分析.pdf

⑧论文作者签名:宝剑望墨指导教师签名:论文评阅人1:评阅人2:评阅人3::答辩委员会主席:委员1:委员2:——丝盘率址瑟盘缉迢叁鱼压生教拯选连越数援王维丝副数援金塞光副数援答辩日期:。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得逝婆太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名:咯锄碧免签字日期:沙心年弓月f口日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解浙江太堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权浙婆太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名:嘞劐耽导师签名:签字日期:切心年;月/D日签字日期:加心年多月/p日万方数据浙江大学硕士学位论文致谢时光飞逝,一晃已临近研究生毕业。三年里,我在超大所里收获到的,不仅是知识,项目经验,更有为人处事的方法,以及做人的道理。在这里,我特别想感谢我的研究生导师、与我一起共事的同学和关心帮助我的人。首先,我要谢谢沈海斌老师,十分地感谢两年多来他在学习、科研乃至生活中给我的帮助教导,感谢他为我提供了良好的科研环境,让我可以在其中健康成长,让我在科研中收获了知识技能和做人的道理。其次,我要感谢实验室的蒋旭、解志超、谢表铭、陶永任、陈曦、杨海、卞桂龙、张伟林、陈超等师兄,陈晓丹、金立新、佘斌、耿云志等同学在学习和工作上给予我的帮助和关心。最后我要感谢我的父母、我的家人在我的生活上给予我的无微不至的关怀和帮助,还有在工作中和学习上给予的理解,感谢父母亲二十多年来对我含辛茹苦的培养。曾剑铭2015年1月万方数据浙江大学硕士学位论文摘要便携式设备和可穿戴设备快速发展,使得人们对设备的续航时间越来越关注。落实到芯片设计,则是对低功耗的需求日益强烈。再加上先进工艺下的泄漏功耗占芯片总功耗的比例上升,低功耗技术中的待机功耗优化技术显得尤为重要。实现低待机功耗的最直接而有效的方法就是使用电源门控技术(PowerGating),但是电源关断后,被关断模块内部的状态数据也会丢失。解决断电后数据丢失的办法是使用保留寄存器(RetentionRegister)。但传统的保留寄存器有如下缺点:缺点一是没有彻底断电,增加了待机功耗。主电源(primarypowersupply)断电后,数据保留电路仍然在工作,当寄存器数量较多时,仍然会引起较大的待机功耗;缺点二是,增加了布局布线难度。一方面由于使用双电源供电,在布局布线时,不仅需要为主电源留出面线空间,还需要为辅助dg源,(backuppowersupply)出布线空间;另一方面,数据保留电路的控制信号不能关断,在可关断电压域中必须使用常通电标准单元(AlwaysOnStandardCell)传输这些控制信号。随着非易失性存储器(,NVM)的发展,可以使用基于非易失性存储单元的寄存器。由于NVM断电后数据不会丢失,本身就具有数据保留功能,无需使用双电源供电。在众多的非易失性存储单元中,自旋转移力矩磁隧道结(Spin-Torque-icTunnelJunction,STT-MTJ)因为有着非易失性,无限的写次数、兼容CMOS工艺、不会增加器件面积以及良好的可缩放性等诸如多优点而得到了广泛的研究。本文对STT-MTJ、STT-MTJ关键读写电路及STT-MTJ在寄存器中的应用做了系统的研究,主要工作内容如下:(1)对STT-MTJ仿真模型进行了研究:基于STT磁隧道结的物理方程,包括电阻、临界电流、翻转条件以及热扰动等物理方程,建立了可与CMOS电路联合仿真的行为模型,并使用HSPICE进行了初步验证。(2)对STT-MTJ的写入电路进行了研究,分析了驱动强度与MTJ翻转功耗、写延迟的关系,并探讨了在STT-MTJ寄存器应用中如何选择MTJ写电路的驱动强度。万方数据浙江大学硕士学位论文(3)对STT-MTJ的读取电路进行了研究,分析了管子大小与读延迟、读干扰的关系,分析了读取电路对电荷的敏感性,并指出在电路实现时的注意事项。(4)对STT-MTJ寄存器及STT-MTJ保留寄存器进行了研究,分析了传统STT-MTJ寄存器,并指出其存在的速度慢、功耗大等问题;分析了现有的STT-MTJ保留寄存器,及其存在的数据覆盖问题;基于上述的STT-MTJ模型研究、读写电路研