非易失性存储单元的数据处理方法、装置及存储介质

1.本技术涉及半导体技术领域，具体涉及一种非易失性存储单元的数据处理方法、一种非易失性存储单元的数据处理装置及一种机器可读存储介质。


背景技术：

2.阻变存储器（rram, resistive random access memory）是一种基于忆阻器件工作原理的新型存储器。阻变存储器具有结构简单，与现有 cmos 工艺兼容，高微缩性，多值存储，易于 3d 集成等优点，在对存储器进行写操作时，通过在忆阻器两个极板上施加不同极性的电压，即可实现忆阻器在不同状态间的转换，从而实现数据的写入。而写入数据的保存时间与阻变存储器的数据保持特性（retention）密切相关，其中，rram器件的数据保持特性即其在断电后其存储的高、低阻态能够保持的时间。目前，现有技术在对rram器件进行数据写入时往往对rram器件施加固定的编程电压，没有考虑不同数据的数据热度类别，导致了功耗的增加。


技术实现要素：

3.本技术实施例的目的是提供一种基于脉冲神经网络的图像编码方法及一种基于脉冲神经网络的图像编码装置，以解决上述问题。
4.为了实现上述目的，本技术第一方面提供一种非易失性存储单元的数据处理方法，包括：获取待处理数据；确定所述待处理数据对应的数据热度类别；向所述非易失性存储单元施加与所述待处理数据的数据热度类别对应的编程电压信号，以将所述待处理数据写入所述非易失性存储单元。
5.可选地，所述待处理数据对应的数据热度类别包括热数据；向所述非易失性存储单元施加与所述待处理数据的数据热度类别对应的编程电压信号，包括：在确定所述待处理数据对应的数据热度类别为热数据的情况下，向所述非易失性存储单元施加第一编程电压信号。
6.可选地，所述待处理数据对应的数据热度类别还包括冷数据；向所述非易失性存储单元施加与所述待处理数据的数据热度类别对应的编程电压信号，包括：在确定所述待处理数据对应的数据热度类别为冷数据的情况下，向所述非易失性存储单元施加第二编程电压信号；所述第一编程电压信号小于所述第二编程电压信号。
7.可选地，所述待处理数据对应的数据热度类别还包括温数据；向所述非易失性存储单元施加与所述待处理数据的数据热度类别对应的编程电压信号，包括：在确定所述待处理数据对应的数据热度类别为温数据的情况下，向所述非易失性存储单元施加第三编程电压信号；
所述第三编程电压信号大于所述第一编程电压信号，且所述第三编程电压信号小于所述第二编程电压信号。
8.可选地，向所述非易失性存储单元施加第一编程电压信号之后，所述方法还包括：若所述待处理数据在预设时间区间内没有被读取，将所述待处理数据重新写入所述非易失性存储单元。
9.可选地，将所述待处理数据重新写入所述非易失性存储单元之后，所述方法还包括：若所述待处理数据被连续n次重新写入所述非易失性存储单元，则将所述待处理数据的数据热度类别更新为温数据。
10.可选地，所述非易失性存储单元为阻变存储器。
11.可选地，所述阻变存储器为1t1r的阻变存储器。
12.本技术第二方面提供一种非易失性存储单元的数据处理装置，包括：数据获取模块，被配置为获取待处理数据；数据热度类别确定模块，被配置为确定所述待处理数据对应的数据热度类别；数据处理模块，被配置为向所述非易失性存储单元施加与所述待处理数据的数据热度类别对应的编程电压信号，以将所述待处理数据写入所述非易失性存储单元。
13.可选地，所述待处理数据对应的数据热度类别包括热数据；所述数据处理模块被配置为：在确定所述待处理数据对应的数据热度类别为热数据的情况下，向所述非易失性存储单元施加第一编程电压信号。
14.可选地，所述待处理数据对应的数据热度类别还包括冷数据；所述数据处理模块被配置为：在确定所述待处理数据对应的数据热度类别为冷数据的情况下，向所述非易失性存储单元施加第二编程电压信号；所述第一编程电压信号小于所述第二编程电压信号。
15.可选地，所述待处理数据对应的数据热度类别还包括温数据；所述数据处理模块被配置为：在确定所述待处理数据对应的数据热度类别为温数据的情况下，向所述非易失性存储单元施加第三编程电压信号；所述第三编程电压信号大于所述第一编程电压信号，且所述第三编程电压信号小于所述第二编程电压信号。
16.可选地，所述数据处理模块还被配置为：若所述待处理数据在预设时间区间内没有被读取，将所述待处理数据重新写入所述非易失性存储单元。
17.可选地，所述数据处理模块还被配置为：若所述待处理数据被连续n次重新写入所述非易失性存储单元，则将所述待处理数据的数据热度类别更新为温数据。
18.可选地，所述非易失性存储单元为阻变存储器。
19.可选地，所述阻变存储器为1t1r的阻变存储器。
20.本技术第三方面提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令在被处理器执行时使得所述处理器被配置成执行上述的非易失性存储单元的数据处理方法。
21.本技术第四方面提供一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行上述的非易失性存储单元的数据处理方法的步骤。
22.本技术在对非易失性存储单元进行数据写操作时，基于考虑数据的数据热度类别，针对待处理数据的不同数据热度类别向非易失性存储单元施加不同大小的编程电压，从而使得不同数据热度类别的数据在非易失性存储单元中具有不同的数据保持时间，进而能够有效降低功耗。
23.本技术实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
24.附图是用来提供对本技术实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本技术实施例，但并不构成对本技术实施例的限制。在附图中：图1为本技术优选实施例提供的一种非易失性存储单元的数据处理方法的方法流程图；图2为本技术优选实施例提供的rram单元在不同限流条件下非易失存储的数据保持特性柱状图；图3为本技术优选实施例提供的一种非易失性存储单元的数据处理装置的示意框图；图4为本技术优选实施例提供的一种非易失性存储单元的数据处理系统示意图；图5为本技术优选实施例提供的一种非易失性存储单元的数据处理系统的数据处理方法流程图；图6为本技术优选实施例提供的数据热度分析与管理器示意框图；图7为本技术优选实施例提供的数据热度分析逻辑示意图。
具体实施方式
25.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本技术实施例，并不用于限制本技术实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
26.需要说明的是，本技术各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本技术要求的保护范围之内。
27.如图1所示，在本实施方式第一方面提供一种非易失性存储单元的数据处理方法，包括：
s100、获取待处理数据；s200、确定待处理数据对应的数据热度类别；s300、向非易失性存储单元施加与待处理数据的数据热度类别对应的编程电压信号，以将待处理数据写入非易失性存储单元。
28.如此，本实施方式在对非易失性存储单元进行数据写操作时，基于考虑数据的数据热度类别，针对待处理数据的不同数据热度类别向非易失性存储单元施加不同大小的编程电压，从而使得不同数据热度类别的数据在非易失性存储单元中具有不同的数据保持时间，进而能够有效降低功耗。
29.可以理解的，阻变存储器的阻变层由低阻态向高阻态变化称为复位操作(reset)，由高阻态向低阻态变化称为置位操作(set)。通常，刚制备的rram器件的阻值状态呈现高阻态，在编程之前，需要一个大于置位电压的高压操作激活rram，这个操作称为形成操作(forming)。进行forming 操作时，给rram器件正极板施加正电压进行扫描，当电压增高到forming电压v
forming
时，rram器件将转变为低阻态。
30.在执行set操作时，向rram施加正向电压，在rram器件从高阻态变为低阻态的过程中，阻变层里产生了缺陷(金属阳离子或氧阴离子)，导电缺陷连通形成了导电细丝，发生set转变；在执行reset操作时，向rram施加负电压，电压增大至临界值v
reset
时，阻变层中导电细丝断裂，器件从低阻态转变为高阻态，发生reset转变，进而获得可重复的阻变效应。可以理解的，forming过程或set过程通常需要限流(compliance current，cc)来防止电流过大造成器件失效，通常由晶体管、二极管、电阻或测试仪器自带的限流功能来实现，限流为现有技术，此处对此不作限定。其中，set操作又可以称为编程操作，reset操作称为擦除操作，set操作的转变电压v
set
通常低于forming电压v
forming
。
31.本实施方式中，非易失性存储单元为阻变存储器，具体可以为1t1r的阻变存储器。实验表明，当非易失性存储单元即rram单元的set限流i
cc
较大时，其数据保持特性能达到85℃下保持10年，但是，当限流较小时，虽然在set操作时也会变成低阻态，但是如果在其上施加一个小电压，rram单元经过一段时间又回到高阻态。同时，在限流较小时rram单元的retention比较差，表现出短时记忆的易失的存储特性，短时记忆时间即去掉rram单元上的set电压后，在较小电压的作用下，rram单元低阻状态的持续时间。如图2所示是rram单元在不同较低限流条件下进行非易失存储的存储电平随时间变换情况，set操作限流值越小，短时记忆时间越短，分布区域也越大，在同一限流条件下，rram的短时记忆时间表现虽有一定的随机性，但retention值即数据保持时间分布在较集中的一段范围，不同较低限流条件下retention值分布有一定区分度。上述可知，若写入rram单元的数据要被可靠存储足够长的时间，则set操作时需采用较高的限流值，不利于降低系统功耗阻。
32.为了解决上述问题，本实施方式中，将待处理数据按照数据热度类别进行分类，数据热度类别包括但不限于热数据及冷数据。可以理解的，数据热度类别与数据的访问频率相关，例如，热数据由于被访问频率高，更新快，不需要保存较长时间，在进行编程操作时采用限流为较低的电流值即可；冷数据被访问频率较低，需要长时间保存，在进行编程操作时则需要限流为较高的电流值。因此，在执行编程操作时，根据待处理数据的数据热度类型，向rram单元施加不同的编程电压信号，进而能够控制rram单元的限流为不同的电流值，例如，当待处理数据为热数据时，需要限流为较低的电流值，则向rram单元施加一较低的电
压，即第一编程电压信号；当待处理数据为冷数据时，需要限流为较高的电流值，则向rram单元施加一较高的电压，即第二编程电压信号。这样，在对rram单元进行数据写入时，能够根据数据的数据热度类别，动态的对rram单元施加对应的电压信号，从而实现对rram单元的限流电流的调节，避免了在待处理数据为热数据的情况下，依然使用较大限流电流进行编程写入阻变存储器的操作从而导致大量功耗浪费的情况。
33.可以理解的，数据热度类别可以按照数据的类型预先确定，例如，预先构建待处理数据的数据类型或内容与数据热度类别的映射关系，获取待处理数据后，解析待处理数据并根据待处理数据的数据类型或内容获取其对应的数据热度类别。数据热度类别的划分可以根据实际情况确定，此处对此不作限定。
34.本实施方式中，为了进一步降低阻变存储器的功耗，数据热度类别还包括温数据；向非易失性存储单元施加与待处理数据的数据热度类别对应的编程电压信号，包括：在确定待处理数据对应的数据热度类别为温数据的情况下，向非易失性存储单元施加第三编程电压信号；第三编程电压信号大于第一编程电压信号，且第三编程电压信号小于第二编程电压信号。
35.温数据的访问频率低于热数据而大于冷数据，由于其访问频率适中，因此，需要限流为适中的电流值，则在进行编程操作时，向rram单元施加一适中的电压，即第三编程电压信号。通过将待处理数据按数据热度类别划分为热数据、温数据及冷数据，实现了根据待处理数据的数据热度类别向rram单元施加不同的编程电压，在保证数据的可靠存储的情况下，能有效降低功耗，避免了功耗浪费。
36.为了避免热数据在被读取之前失效，向非易失性存储单元施加第一编程电压信号之后，方法还包括：若待处理数据在预设时间区间内没有被读取，将待处理数据重写入非易失性存储单元。
37.由于对热数据的写操作采用的是低限流电压，数据在rram中保持时间短，可能存在热数据在被读取之前就已失效的情况。为了解决该问题，本实施方式通过设置热数据的基准时间即预设时间区间来监测每个存储热数据的rram单元，如果在基准时间内对应的热数据没有被读取，则将该热数据重新写入rram单元，以确保热数据的准确率。
38.为了跟随数据的动态变化自适应的调整功耗，将待处理数据重新写入非易失性存储单元之后，本实施方式的方法还包括：若待处理数据被连续n次重写入非易失性存储单元，则将待处理数据的数据热度类别更新为温数据。具体的，若连续发生两次热数据重新写入，则将该类别数据由热数据转换为温数据，这样，当预先被确定为热数据的某数据的访问频率变低后，能够根据其被重新写入的频次动态更新该数据的数据热度类别，该进而能够根据数据的实时访问频率自适应的调整执行写操作时的编程电压，从而更精确的控制系统功耗。
39.如图3所示，本技术第二方面提供一种非易失性存储单元的数据处理装置，包括：数据获取模块，被配置为获取待处理数据；数据热度类别确定模块，被配置为确定待处理数据对应的数据热度类别；数据处理模块，被配置为向非易失性存储单元施加与待处理数据的数据热度类别对应的编程电压信号，以将待处理数据写入非易失性存储单元，其中，非易失性存储单元为阻变存储器，优选为1t1r的阻变存储器。
40.可选地，待处理数据对应的数据热度类别包括热数据、冷数据及温数据；数据处理模块，被配置为：在确定待处理数据对应的数据热度类别为热数据的情况下，向非易失性存储单元施加第一编程电压信号；在确定待处理数据对应的数据热度类别为冷数据的情况下，向非易失性存储单元施加第二编程电压信号；在确定待处理数据对应的数据热度类别为温数据的情况下，向非易失性存储单元施加第三编程电压信号；其中，第一编程电压信号小于第二编程电压信号，第三编程电压信号大于第一编程电压信号，且第三编程电压信号小于第二编程电压信号。
41.为了保证数据的准确率，数据处理模块，还被配置为：若待处理数据在预设时间区间内没有被读取，将待处理数据重写入非易失性存储单元；以及若待处理数据被连续n次重写入非易失性存储单元，则将待处理数据的数据热度类别更新为温数据。
42.如图4所示，在本实施方式的一个具体实例中，提供一种非易失性存储单元的数据处理系统，包括上述的非易失性存储单元的数据处理装置及非易失性存储单元阵列，其中，非易失性存储单元阵列包括多个阵列排布的非易失性存储单元。图5中，401为输入数据，可以为处理后的图片、语音等数据，可以理解的，处理后的数据形式为具体数字；402为数据热度分析与管理器，用于根据输入数据的存取频率对数据进行数据热度类别的分类，将数据分为冷数据、温数据或热数据；403为行控制器，用于进行行选和行驱动；404为列控制器以及写电路，列控制器用于进行列选和列驱动，写电路用于实现对阻变存储器的编程操作。其中，编程操作中的限流由数据热度决定。406为基于rram的存算一体阵列，即非易失性存储单元阵列，405为存算一体阵列的一个rram单元，具体为一个忆阻器和一个晶体管串联组成的1t1r即1 transistor 1 rram结构，其中晶体管用于选通，忆阻器用于存储权值和计算；407为系统总控制器，用于对行选、列选、写电路、读电路等模块的控制；408为读电路，用于读出非易失性存储单元阵列中的数据；409为基准时间源，用于产生低限流基准时间，以判断热数据是否需要更新。
43.可以理解的，本实施方式中，数据获取模块、数据热度类别确定模块及数据处理模块可以集成在同一硬件上，也可以部署于不同硬件上。例如，数据获取模块及数据热度类别确定模块可以集成在数据热度分析与管理器中，数据处理模块可以集成在系统总控制器中。
44.如图5所示，基于非易失性存储单元的数据处理系统的数据写操作方法包括以下步骤：步骤1，外界输入待存储的数据。
45.步骤2，数据热度分析与管理器接收并解析待存储的数据，根据待存储数据的类型和内容，进行数据热度分析管理，将数据按数据热度类别进行分类为冷数据、温数据和热数据；其中，数据类型会随着存储的进行而动态变化，比如初态被分为热数据的数据，如果读写频率比设置频率低，则在满足预设条件时，会转换为温数据。
46.步骤3，总控制器通过行控制器及列控制器选中存储该待存储数据的目标rram单元，同时根据该数据的数据热度类别，确定向被选中的rram单元施加的编程电压信号，以生成存储该数据所需的限流电流值：对于冷数据，由于不经常被访问，需要较长的保存时间，在进行编程操作时限流需要为高电流值；对于温数据，由于访问频率适中，需采用中等的限流电流值；对于热数据，由于访问频率高，更新快，不需要保存较长时间，限流为较低电流值
(sram)、动态随机存取存储器 (dram)、其他类型的随机存取存储器 (ram)、只读存储器 (rom)、电可擦除可编程只读存储器 (eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器 (cd-rom)、数字多功能光盘 (dvd) 或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体 (transitory media)，如调制的数据信号和载波。
56.本技术第四方面提供一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行上述的非易失性存储单元的数据处理方法的步骤。
57.综上所述，本实施方式通过研究发现rram器件可以在不同较低限流条件下进行非易失存储，且编程操作限流值越高，其数据保存时间越长。本实施方式基于rram的该特性实现了对数据的动态调控存储，根据不同应用场景，对阻变存储器所存储的数据热度进行分析和分类，根据数据热度类别将数据分为热数据、温数据和冷数据：对于冷数据，由于不经常被访问，需要较长的保存时间，在进行编程操作时限流需要高电流值；对于温数据，其访问频率适中，数据保存时间亦适中，在进行编程操作时限流需要适中的电流值；对于热数据，由于访问频率高，更新快，不需要保存较长时间，限流用较低电流值即可；通过控制不同数据的编程电压即可提供对应的限流电流值。为了提高存储系统的可靠度，本实施方式通过设置基准时间，对于存放热数据的rram，如果在基准时间内其数据没有被访问，则将进行重新写入操作，以保证存储系统的的可靠度，避免数据丢失。对于热数据比例高的存储任务，本实施方式可以极大减少系统功耗，从而能够实现低功耗的阻变存储器编程系统，避免由于大量冷数据导致执行写操作的功耗浪费。
58.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
59.本技术是参照根据本技术实施例的方法、装置、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
60.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
61.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一
个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
62.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
63.以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。