一种磁随机存储系统及其读取操作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体，集成电路芯片设计技术领域，更具体地，涉及一种磁随机存储系统及其读取操作方法。
【背景技术】
[0002]自旋转移力矩磁阻式随机存储器(Spin Torque Transfer Magnetic RandomAccess Memory, STT-MRAM)是一项跨学科的复杂系统开发的综合工程，学科跨度大，工程复杂性高，它概括了物理，材料学科，电子工程和半导体科学，以及磁性学科等多门学科领域。
[0003]磁随机存储器是由特殊的磁性材料制成极小尺寸的磁元体，并将磁元体集成到半导体工艺中制成磁随机存储芯片，第一代磁随机存储器(MRAM)是在多个磁元体组成，每个磁元体附近有两根导线，在写操作时，电流通过导线产生两个磁场，该磁元体在磁场作用下改变磁体中磁极方向，通过导线的较大的电流可以有两个相反的方向，使得磁体中呈现两个不同磁极方向，从而达到两种不同的磁阻值状态:低磁阻状态为“0”，高磁阻状态为“I”；由于磁场会对临近的磁元体产生作用，使得这些磁元体状态不稳定，随着半导体工艺提高每个存储单元的尺寸越来越小，基于这些磁元体的存储单元更加不稳定。
[0004]自旋转移力矩磁阻式随机存储器(STT-MRAM)同样基于磁元体，但它们的此材料与结构与第一代不同，第二代磁存储器(STT-MRAM)依靠自旋动量转移写入信息，它完全不同于传统的第一代存储器(MRAM)，它是将一个更小的电流直接流过这个磁元体(MTJ)使其改变状态，电流通过MTJ的方向不同是其呈现“O”和“I”状态，由于没有磁场的干扰，磁元体状态更加稳定，每个存储单元的尺寸可以越来越小。同时也简化的电路设计和减小功耗，写入每个数据位所需的功耗比MRAM低一个数量级。
[0005]与闪存(Flash Memory)相比，STT-MRAM的写入/读取性能更佳，因为它的写入数据时不要求高电压，耗电量低，写入/读取时间极短，同时保持闪存所具有的非挥发特性，既能够在关掉电源后仍可以保持锁存储内容的完整性，此外，由于改变磁化方向的次数没有限制，因此写入次数也为无限次。
[0006]STT-MRAM 拥有静态随机存储器(Static Random Access Memory, SRAM)的高速读取写入能力和动态随机存储器(Dynamic Random Access Memory, DRAM)的高集成度，而且可以无限次地重复擦写。STT-MRAM无需动态刷新，能够在非激活状态下关闭，可以大幅降低系统功耗。STT-MRAM具有高速存取功能。
【发明内容】
[0007]针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种磁随机存储系统及其读取操作方法，其目的在于产生用于STT-MRAM存储系统中差分信号放大器所需的参考信号以及读操作控制电路和方法来减少功耗。
[0008]本发明提供了一种磁随机存储系统，包括K个存储模块，K个信号放大器SA，一个参考信号产生器，字地址控制驱动器，列地址控制驱动器以及读控制器:所述字地址控制驱动器用于在控制信号RDCTL的控制下根据字译码地址WDECXl:m>输出m路字地址译码控制信号WLN〈l:m> ;所述列地址控制驱动器用于在控制信号RDCTL的控制下根据列译码地址⑶EC〈l:n>输出η路列地址译码控制信号CS〈l:n> ;所述读控制器的第一输入端用于接收读操作控制信号RDEN，所述读控制器的第二输入端用于接收K个信号放大器反馈的完成信号DONE，所述读控制器用于根据所述读操作控制信号RDEN和所述完成信号DONE输出控制信号RDCTL ;所述K个存储模块依次为第一存储模块，第二存储模块，……第K/2存储模块，第(K/2+1)存储模块，……第K存储模块；其中，所述第一存储模块的第一输入端用于接收m路字地址译码控制信号WLN〈1:m>，所述第一存储模块的第二输入端用于接收η路列地址译码控制信号CS〈1:n>，所述第一存储模块的第三输入端用于接收限流CLMP信号，所述第一存储模块的第四输入端用于接收控制信号RDCTL ;所述第二存储模块的第一输入端用于接收m路字地址译码控制信号WLN〈1:m>，所述第二存储模块的第二输入端用于接收η路列地址译码控制信号CS〈1:n>，所述第二存储模块的第三输入端用于接收CLMP信号，所述第二存储模块的第四输入端用于接收控制信号RDCTL ;……依此类推，所述第K存储模块的第一输入端用于接收m路字地址译码控制信号WLN〈1:m>，所述第K存储模块的第二输入端用于接收η路列地址译码控制信号CS〈1:n>，所述第K存储模块的第三输入端用于接收CLMP信号，所述第K存储模块的第四输入端用于接收控制信号RDCTL ;所述参考信号产生器的第一输入端用于接收m路字地址译码控制信号WLN〈1:m>，所述参考信号产生器的第二输入端用于接收外部控制信号REF，所述参考信号产生器的第三输入端用于接收限流控制信号CLMP，所述参考信号产生器的第四输入端用于接收控制信号RDCTL ;所述参考信号产生器包括高磁阻参考信号产生器H和低磁阻参考信号产生器L，所述高磁阻参考信号产生器用于产生第一路参考信号ORFh，所述低磁阻参考信号产生器用于产生第二路参考信号ORFh ;所述K个信号放大器SA依次为第一信号放大器，第二信号放大器，……第K/2信号放大器，第(K/2+1)信号放大器，……第K信号放大器；其中，所述第一信号放大器的第一输入端连接至所述第一存储模块的数据输出端，所述第二信号放大器的第一输入端连接至所述第二存储模块的数据输出端，……依此类推，所述第K信号放大器的第一输入端连接至所述第K存储模块的数据输出端；所述第一信号放大器的第二输入端、所述第二信号放大器的第二输入端、……第K/2信号放大器的第二输入端均连接所述第一路参考信号ORFh和所述第二路参考信号ORFh中的任意一路参考信号；所述第K/2+1信号放大器的第二输入端、第K/2+2信号放大器的第二输入端、……第K信号放大器的第二输入端均连接所述第一路参考信号ORFh和所述第二路参考信号ORFh中的另一路参考信号；1(个信号放大器的使能端En均用于接收启动信号SAEN ;K个信号放大器的输出端用于输出K位数据。
[0009]更进一步地，所述高磁阻参考信号产生器和所述低磁阻参考信号产生器的结构相同，且所述高磁阻参考信号产生器的第一输出端Con与所述低磁阻参考信号产生器的第一输出端Con相连，所述高磁阻参考信号产生器的第二输出端用于输出所述第一路参考输出信号ORFh，所述低磁阻参考信号产生器的第二输出端用于输出所述第二路参考输出信号ORFh0
[0010]更进一步地，高磁阻参考信号产生器包括参考电流源、参考限流器、参选器以及m个参考单元；每个参考单元的输入端通过参考位线rf连接至所述参选器的一端，每个参考单元的输出端接地；所述参选器的另一端通过连接线CON与所述参考限流器的一端相连；参考限流器的另一端通过参考线rl与所述可控参考电流源的一端连接，所述可控参考电流源的另一端与通用电压源VDD相连；所述可控参考电流源的控制端用于连接控制信号RDCTL，所述参考限流器的控制端用于连接限流控制信号CLMP ;所述可控参考电流源与所述参考限流器的连接端作为信号输出端ORFh ;111个参考单元的控制端分别连接m条字线，依次为wl〈l>到wl〈m>，m条字线分别控制m个参考单元，每个参考单元由相对应的字线wl控制并只在读操作中广生参考电流。
[0011]更进一步地，每个参考单元包括磁性元件和选择装置；所述选择装置为晶体管，晶体管的控制端栅极与字线WLN相接，晶体管的漏极接地线GND，晶体管的源极与所述磁阻性元件的一端连接，所述磁性元件的另一端耦合至所述参考位线rf。
[0012]更进一步地，所述高磁阻参考信号产生器中的磁性元件的预制电阻值呈高电阻值，所述低磁阻参考信号产生器中的磁性元件的预制电阻值呈低电阻值。所述高磁阻参考信号产生器中的MTJH，所述低磁阻参考信号产生器中的呈现低电阻值MUL，其逻辑值分别表示逻辑“I”或逻辑“0”，高电阻值和低电阻值是预置好的并且是固定的，在正常存储器读写操作中不能更改，并且参考单元中只在读操作中使用。
[0013]更进一步地，工作时，K个信号放大器中有K/2个信号放大器共享第一路参考信号，另K/2个信号放大器共享第二路参考信号，节省了 K位存储器尺寸，加快了读取速度并节省了功耗。所述高磁阻参考信号产生器和所述低磁阻参考信号产生器可以安排在K个磁随机存储模块中任何物理位子。
[0014]更进一步地，当读出操作开始，所述读控制器的第一输入端接收的读操作控制信号RDEN变为高电平，所述读控制器输出的控制信号RDCTL变为高电平，开始读取所需数据；当信号放大器所要求的数据锁存在其输出端时会产生数据读取完成信号DONE，该完成信号DONE为高电平使得所述读控制器输出的控制信号RDCTL变为低电平。
[0015]本发明还提供了一种基于上述的磁随机存储系统的读取操作方法，包括下述步骤:
[0016]当读出操作开始时，读操作控制信号RDEN为高电平，由于完成信号DONE为低电平，所述读控制器输出的控制信号RDCTL为高电平，列译码地址有效，在列译码地址⑶EC〈l:n>中的第i个列译码地址⑶EC〈i>转变为高电平，其余n_l位为低电位，同时字译码地址WDEC〈l:m>中第j个字译码地址WDEC〈j>转变为高电平，其余m_l位为低电位；使得第i路列地址译码控制信号CS〈i