一种提高阻变存储器可靠性的低功耗刷新系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体数据存储技术领域，更具体地涉及一种提高阻变存储器可靠性的低功耗刷新系统及方法。
【背景技术】
[0002]随着信息社会的发展，非挥发存储器在各个领域的应用越来越重要。近几年，人们对非挥发存储器在存储容量、速度和功耗等方面的要求越来越高，然而传统的非挥发存储器如闪存(flash)在集成度、功耗和速度方面遇到了瓶颈，越来越难以胜任主流非挥发存储器的地位。阻变式随机存储器(RRAM，Resistive Random Access Memory)，由于其高集成度、低功耗、读写速度快和兼容CMOS工艺等诸多优点而被广泛认为是一种未来最有希望取代flash成为主流非挥发存储器的新型存储器。
[0003]我们发现目前RRAM本身在材料和器件层面上存在许多问题，其中一个重要问题是保持(retent1n)失效问题:RRAM在数据保持阶段，随着时间的推移，电压的作用，温度的影响会发生失效，一种可能的解释是导电细丝(CF，Conductive Filament)发生扩散导致细丝断裂，结果是低阻态(LRS)变成了高阻态(HRS)，而断裂的导电细丝也有可能发生细丝重新导通的现象，结果是HRS变成了 LRS。
[0004]针对保持失效问题，近年许多报道中都提到了通过一些特定的方法，比如通过增大形成(forming)电流、增大置位(set)电流等电路级别的方案来增大导电细丝的直径，从而来提高保持时间。但是我们看到，这种通过增大导电细丝来提高保持时间的方案有许多缺陷，其中包括大的导电细丝意味着导电细丝的阻值越低，这就需要更大的复位写(reset)电流，更大的写电流就意味着更高的功耗和更大面积的选通M0S管，同时也会降低写速度，而且还可能会导致存储器耐久性(endurance)变得更差。因此增大导电细丝的方案虽然获得了一定程度的保持时间的提高，但是却提高了功耗，增大了面积，减慢了写速度，降低了存储器的耐久性。
【发明内容】
[0005](一 )要解决的技术问题
[0006]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种提高阻变存储器可靠性的低功耗刷新系统及方法，以控制RRAM阵列中的错误信息数量在一定的程度内，降低不必要的功耗消耗，并在一定程度上解决RRAM的保持时间失效的问题。
[0007]( 二)技术方案
[0008]为达到上述目的的一个方面，本发明提供了一种提高阻变存储器可靠性的低功耗刷新系统，该系统包括ECC编码电路、写电路、RRAM阵列、读电路、ECC解码电路、地址译码电路、刷新控制电路和外部控制模块，其中:ECC编码电路，连接于写电路，用于对自外部写入的待存储的数据信息进行纠错码编码，然后将编码后的数据信息传送给写电路；写电路，连接于RRAM阵列，用于将编码后的数据信息写入RRAM阵列；RRAM阵列，连接于读电路，用于存储数据信息和冷热数据块标志位信息；读电路，连接于ECC解码电路，用于将存储的数据信息从RRAM阵列中读取出来并传送给ECC解码电路；ECC解码电路，用于对读电路读出的数据信息进行纠错码解码，然后将解码后的数据信息传送给外部输出信号管脚；地址译码电路，连接于RRAM阵列，用于将输入地址译码成RRAM阵列中对应的行列；刷新控制电路，连接于读电路、写电路和地址译码电路，用于对读电路和写电路进行控制，并根据地址译码电路存储的地址信息定期进行数据刷新操作；外部控制模块，用于为整个系统提供外部的读写使能和地址信息。
[0009]上述方案中，所述RRAM阵列包括多个存储单元，各存储单元被分成了 N个块，N为自然数，每个块中都附加一位冷热数据标志位。
[0010]上述方案中，所述读电路是根据地址信息所对应的RRAM阵列单元所读出的电压值进行电压比较仲裁，比较的对象是参考电压，最后通过模拟电路译码成相应的数字信号。
[0011]上述方案中，所述写电路是将外部输入的经过编码后的数字信号翻译成相应的模拟的写电压脉冲，根据数据的“0”和“ 1 ”的不同进行对RRAM单元进行不同方向的写电压脉冲操作。
[0012]上述方案中，所述ECC编码电路和所述ECC解码电路，二者的纠错能力能够根据具体的应用背景进行相应的调整，使用汉明码、海思码或BCH码的编码方式。
[0013]上述方案中，所述刷新控制电路，在正常的工作状态下，其刷新使能信号是关闭的，当某个条件触发了刷新控制电路后刷新控制电路开始工作，其工作机制是通过对RRAM阵列中块标志位为冷数据的块进行一次读，然后将读出的数据经过ECC解码电路并将解码纠错后的正确数据进行回送到写电路前，刷新控制电路通过使能写电路，设置相应的地址，将回送的正确数据进行一次重写操作，如此完成一次刷新操作；
[0014]上述方案中，所述刷新控制电路，其刷新的周期是根据ECC解码电路所得到的错误信息的历史记录进行动态设置的，当ECC解码电路连续读到K个数据块信息发生比特翻转错误后，其错误历史信息驱动刷新控制电路进行一次刷新操作，K为自然数。
[0015]上述方案中，所述刷新控制电路，其进行刷新操作的对象不是RRAM阵列100中的全体阻变单元，而是那些冷热标志位信息标志为冷的数据块。
[0016]上述方案中，所述RRAM阵列中数据块的冷热标志信息是通过在两个刷新周期之间进行清除、设置得到的。
[0017]上述方案中，所述数据块冷热标志信息的清除操作是通过在一次新的刷新操作彻底完成后对所有冷数据块的标志位信息进行一次归零操作。
[0018]上述方案中，所述数据块冷热标志信息的设置操作是通过判断在两次刷新操作期间该数据块的数据信息是否发生了写操作得到的，如果未发生写操作，则冷热标志信息为冷，否则为热。
[0019]上述方案中，所述外部控制模块，在刷新控制电路非使能的情况下其所提供的读写使能和地址信息将会直接提供给RRAM阵列的读写电路和地址译码电路；当刷新控制电路使能的情况下其所提供的信息将会被旁路。
[0020]上述方案中，所述外部控制模块，其能够对EN信号进行控制，选择是否打开刷新控制电路。
[0021]为达到上述目的的再一个方面，本发明还提供了一种提高阻变存储器可靠性的低功耗刷新方法，包括:
[0022]步骤1:ECC编码电路读取外部输入数据，并进行编码，然后发送给写电路；
[0023]步骤2:写电路接收到数据信息后根据地址译码器的结果，将其存储在RRAM阵列中对应的位置上，且将冷热标志位置为热；
[0024]步骤3:当读取数据时，首先读电路根据地址译码器的结果在相应的RRAM单元上加读电压，将读出的模拟电压信号与参考电压进行比对，将比对的结果转换成数字信号传输给ECC解码电路；
[0025]步骤4:ECC解码电路将纠错后的数据传送给输出端，或是当刷新控制电路工作时回送给写电路；
[0026]步骤5:当ECC解码电路在多次读出数据时都发现数据中存在错误时进行一次刷新操作；
[0027]步骤6:按照刷新周期重复步骤1?5，即为整个低功耗刷新系统的工作流程。
[0028]上述方案中，所述步骤5包括:当ECC解码电路在多次读出数据时都发现数据中存在错误时进行一次刷新操作，该刷新操作具体是通过读电路读取对于数据块的数据，转换成数字信号之后进行ECC解码纠错，将纠错后正确的结果回送给写电路，刷新控制模块控制写电路将正确的数据重新写回到对应的RRAM阵列单元中，即完成针对一个冷数据块的刷新操作，重复该刷新操作直至所有冷数据块都进行了刷新操作，之后将所有数据冷热标志位清空，完成一次刷新操作。
[0029]上述方案中，步骤6中所述刷新周期是根据ECC译码电路的历史译码结果进行动态调整的，其中一种刷新周期设置方法是当ECC译码电路连续读到若干个错误位数据后进行一次刷新操作。
[0030](三)有益效果
[0031]从上述技术方案可以看出，本发明提供的提高阻变存储器可靠性的低功耗刷新系统及方法，通过动态周期并且有选择地对RRAM阵列进行刷新操作，从而一方面可以控制RRAM阵列中的