日立与瑞萨合作开低功耗高速相变存储模块

相变存储器是一种非易失性存储器，它是利用电流产生的焦耳热量形成的一种双相变的薄膜电阻-- 一种是非晶态（高阻值），另一种是晶态（低阻值）。利用这种电阻的"1"和"0"信息的差异，即可执行存储和读出操作。日立和瑞萨科技以前开发过一种低功耗操作相变存储器，它在界面层使用了五氧化钽，可以利用1.5V电源电压和100μA电流进行写操作。与传统的片上非易失性存储器相比，这种存储器可以降低写电压，在芯片内无需使用产生高压的电源电路，从而有助于减小模块尺寸，并实现更高的密度。不过，由于读取电流很小，存储器阵列电路技术非常关键，这样才能保证在小电流条件下实现高速运行。

新开发的电路技术具有以下特性。
（1）写电路技术有助于利用小电流实现高速写入
1）两步电流控制的数据写入方法
高速写入是利用控制两步写入过程中流经相变薄膜的电流来实现的，首先是100μA的电流，然后是低于100μA的电流，以有效地产生焦耳热量。 2）串写方法
通常，存储器的写入是多位同时执行的。由于写入所需的电流为[单元写电流×同时写的位数]，所以在写许多位时，写操作期间的峰值电流很大。现在，一种串写方法已经开发出来，可以一次连续写入许多位，峰值电流可以通过只写一个位来进行抑制。

（2）高速读取电路支持微小读取电流
尽管实现了用小电流进行写操作的优势，日立和瑞萨科技较早开发的相变存储器还存在一个读取速度缓慢的问题，这是由微小读取电流引起的。为了解决这个问题，现在开发了一种读取电路，其中使用了两级检测放大器（放大电路），通过优化每个检测放大器的工作电压使信号可以逐步放大。与使用单级检测放大器的电路相比，可以在更短的时间执行放大，从而实现更快的读取时间，同时将检测放大器的电流消耗抑制在280μA以下。

（3）电路技术有助于实现纳安级的微电流值的测量
为了测试制造的存储单元的质量，重要的是准确测量信号读取之前的读出电流值。不过，在正常工作条件下，纳安级的微小读出电流对存储器电路中产生电流泄漏来说微不足道，对它进行准确的测量非常困难。因此，利用开发的一种新的电路技术，通过优化存储器电路的电压可将电流泄漏降到最低水平，从而可能对存储单元的微读出电流进行高度准确的测量。将测量结果反馈到制造过程将有助于实现存储单元质量的改进。

一种采用130nm CMOS工艺的实验用512KB存储模块已经生产出来，它采用了新开发的100μA单元可写电路技术。测试结果确认了416KBps写操作和20ns读操作的可能性，在实现高速运行的同时，可以保持低功耗运行相变存储单元的性能。

人们预期，这一技术将促进新一代集成的片上非易失性存储器的实现，并支持未来嵌入式系统微控制器开发的重要进展。

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