刘义凯

（中国电子科技有限公司第四十七研究所，沈阳110032）

RRAM在可编程逻辑中的应用

刘义凯

（中国电子科技有限公司第四十七研究所，沈阳110032）

如今可编程器件在微系统和集成电路系统中得到广泛应用，通常的可重复编程器件采用SRAM来存储配置信息。随着新型存储器技术的发展，采用更高效的非易失性存储单元来替代SRAM使得可重复编程系统的速度和功耗得到提高。介绍了基于阻变单元的可编程nvSRAM和nvLUT，对其器件结构和工作模式进行了概述。nvSRAM和nvLUT可以被用于替代传统可编程逻辑中的SRAM和LUT，其常关和瞬时开启的特性使得静态功耗极低，同时具有更好的CMOS工艺匹配性和更易实现的微缩化前景。

阻变随机存储器；随机存储器；查找表；非易失性逻辑；可编程逻辑；可重配置

1 引言

如今可编程器件在微系统和集成电路系统中得到广泛应用，通常的可重复编程器件采用SRAM来存储配置信息，然而，SRAM会占据大约40%的芯片面积[1]，导致更大的面积消耗和更长的布线延迟。同时，为了在断电后能保持配置信息，又需要额外的非易失性存储器来保存配置信息。一般情况下，非易失存储器和配置存储器之间的数据采用串行传输，这也会增加时间和功耗。随着新型存储器技术的发展，采用更高效的非易失性存储单元来替代SRAM，可以使这些问题得到更好的解决。

阻变随机存储器（RRAM）是一种基于阻值变化来记录存储数据信息的非易失性存储器（NVM）器件。相对于相变随机存储器（phase-change random access memories，PCRAM），磁性随机存储器（magnetoresistive random-access memory，MRAM）和铁电随机存储器（ferroelectric random-access memory，FeRAM）等新型非易失存储器，RRAM具有更好的CMOS工艺匹配性、更高的电阻率和更易实现的微缩化前景[2]。而且RRAM作为一种高性能的非易失存储器，读入速度可高达5ns[3]。这些都为RRAM在可编程器件中的应用提供了基础。

2 RRAM阻变单元

HfO阻变存储单元器件结构如图1所示[4]。该器件结构采用钨插塞（W-plug）作为下电极、HfO（氧化铪）薄膜作为阻变功能层，TiN/Ti作为上电极的三明治结构，所用材料均与CMOS工艺完美兼容。

图1 HfO阻变存储单元器件结构

器件的I-V曲线如图2所示。

图2 HfO器件I-V曲线

由I-V曲线可以看出，HfO器件为双极性阻变器件，在正向1.4V左右进行Set过程形成低阻态，反向0.8V左右进行Reset过程形成高阻态。通过采用不同大小的限制电流，可以使器件进入不同低阻值的Set状态，表明HfO器件有一定的多值存储能力。

3 基于RRAM的NVSRAM

RRAM的电学特性表现为阻值的高低，要作为编程点控制传输管的导通或关断，一般还需构造合适的编程点把RRAM阻值的高低转换为电平的高低，而且，所构造的编程点要满足以下三个条件：①编程点面积不能太大、阻值转换成电平的速度要快、功耗要低；②编程点要集成RRAM的写操作机理；③最好与现有FPGA的架构兼容。

常见的编程点是NVSRAM(Non-volatile SRAM)，采用NVSRAM结构的优点是可以保持传统SRAM FPGA上层的架构和电路设计不变，只需将SRAM编程点替换为NVSRAM编程点。

图3（a）是Stanford大学和Toshiba公司于2007年提出的一种采用RRAM的6T2R NVSRAM编程点结构[5]，图3（b）是复旦大学于2007年提出一种基于RRAM的7T2R NVSRAM编程点结构。但是这些结构由于各种缺陷，导致应用于可编程逻辑时还存在一些问题。如6T2R结构在初始化和存储操作时容易误编程同时漏电功耗大，而7T2R结构只能正向单极编程，由于编程管Mr的引入，7T2R NVSRAM在结构上不对称，若SRAM单元的两个反相器失配也比较严重，上电信息载入时可能出错。

图3 6T2R和7T2R NVSRAM结构

为了解决以上缺陷，又提出如图4的基于RRAM的9T2R NVSRAM编程点结构，它由一个标准的六管SRAM单元(M1-M6)、一个N型的均压管(M0)和两个1T1R结构的RRAM单元 (MA0，R0和MA1，R1)构成。其中，均压管M0的源端和漏端分别连接SRAM单元内部的存储节点Q和QB，两个1T1R RRAM单元的选通管和存储电阻之间的节点分别连接到SRAM单元原来的位线和互补位线上，两个RRAM单元选通管的源端接在一起连到SL (source line)上，两个RRAM存储电阻的另一端接在一起连接到位线BL上，两个RRAM单元各有一根字线WLL和WLR。9T2R NVSRAM编程点的配置信息相反值在断电后，以互补的形式保存在RRAM存储电阻R0和R1中，然后在上电时又把配置信息从存储电阻R0和R1快速读入SRAM单元，载入所需时间也是几百皮秒。因此，采用9T2R NVSRAM编程点的FPGA器件具有很高的安全性，而且可以快速上电启动。9T2R NVSRAM编程点在结构上也非常对称，因而在载入配置信息时不易出错。

图4 9T2R NVSRAM结构

4 基于RRAM的nvLUT

除了NVSRAM单元，可编程逻辑里还存在大量的查找表（LUT）结构，用于实现可编程逻辑的主要逻辑电路功能。采用RRAM单元的LUT，可以实现对基于SRAM的LUT替代。

4.1 1T2R存储单元结构

图5显示的是用于nvLUT的1T2R存储单元结构，它由一个NMOS开关管（MSEL）和两个基于HfO的RRAM（RA和RB）构成。RA和RB的BE端连接到存储单元的输出端C。选择管MSEL可以通过直接控制C节点来提供稳定的写条件。S，A和B端提供读和写的偏置路径。

RRAM器件的RA和RB在一起共同形成互补阻性开关器件（complementary resistive switching，CRS）[6]。RA=HRS且RB=LRS时定义为“0”状态。RA=LRS且RB=HRS时定义为“1”状态，如表1所示。CRS结构可以保证RA和RB的组合电阻大于HRS，以最小化读操作时的直流漏电；这意味着可以通过增大HRS来减小操作电流。此外，相较于1T1R结构，CRS结构因为输出总是由LRS态的ReRAM来驱动，大大提高了读操作的速度[7]。

图5 1T2R存储结构

表1 1T2R单元的存储状态真值表

4.2 非易失性查找表nvLU T

nvLUT由多个1T2R存储单元，选择电路和读/写控制电路组成，图6所示的是一个2输入NAND配置的2输入LUT，存储单元的输出0-3分别对应输入XY=00-11，每个存储单元的W端是共用的。此外，为了将配置数据存入存储单元，需要RESET和SET操作。SET操作通过在S端加0V，Ax或Bx端加Vs（取决于哪个ReRAM需要进行SET操作），W端加VG_SET振幅的脉冲信号来执行。RESET可以类似完成。通过这种方式，操作者可以将任何需要的真值表写入存储单元，表2显示了一些常见函数和其对应的存储单元阻态。读操作时，选择电路根据输入信号值选择对应的存储单元，灵敏放大器将输出值与参考电压Vref进行比较，当存储单元的C端电压大于参考电压Vref时，输出为“1”。图7显示了2输入NAND门的LUT仿真结果。

表2 2输入LUT的常见函数存储单元阻态

图6 2输入nvLUT电路图

图7 2输入NAND函数LUT的仿真

5 结束语

相较于常规的SRAM或MRAM-based nvLUTs，采用RRAM的可编程器件可以实现非易失性可重复编程，同时其工艺特性使得采用RRAM存储单元可以减小大量的版图面积，这在如今越来越高的电路集成度下是一个突出优点。而且，由RRAM构成的存储单元可以很好的实现低功耗、高速、零待机损耗（zero standby power）[8]。结论就是，RRAM技术在实现常闭，瞬时开启（normally-off and instant-on）的可重编程逻辑应用方面具备广阔的前景和显著的优势。

[1]Pierre-Emmanuel Gaillardon,D.Sacchetto,G.B.Beneventi, et al．Design and Architectural Assessment of 3-D Resistive Memory Technologies in FPGAs[J].Nanotechnology, IEEE Transactions on Nanotechnology,2013，12（1）:40-50.

[2]段书凯，胡小方，王丽丹，等.忆阻器阻变随机存取存储器及其在信息存储中的应用 [J].中国科学：信息科学，2012，42(6)：754-769. Duan Shu Kai，Hu Xiao Fang，Wang Yi Dan，et al.Memristor-based RRAMwith applications[J].SCIENCE CHINA Information Sciences,2012,42(6):754-769.

[3]Shyh-Shyuan Sheu,P.-C.Chiang,W.-P.Lin,et al.A 5ns fast write multi-level non-volatile 1 K bits RRAM memory with advance write scheme[J].VLSI Circuits,2009，16-18：82-83.

[4]Xiao yong Xue，Yinyin Lin，et al．Novel RRAM Programming Technology for Instant-on and High-security FPGAs [J]．IEEE International Conference on Asic,2011：1-4.

[5]薛晓勇.新型存储器在FPGA应用中的关键技术研究[D].上海：复旦大学，2011. Xue Xiao Yong.Research on the key technology of new memory in FPGA application[D].ShangHai：Fudan University,2011.

[6]E.Linn,R.Rosezin,C.Kugeler,et al.Complementary resistive switches for passive nanocrossbar memories[J].Nature Materials,2010，9：403–406.

[7]Ming Liu，Wei Wang．rFPGA：CMOS-nano Hybrid FPGA using RRAMComponents[J].IEEE International Symposium on Nanoscale Architectures，2008：93-98.

[8]万海军．电阻存储器RRAM的可靠性研究[D]．上海：复旦大学，2010. Wan Hai Jun.Research on reliability of resistance memory RRAM[D].ShangHai：Fudan University,2010.

Application of RRAM in Programmable Logic

Liu Yikai

（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032，China）

Now the configurable device is widely used in micro electronic systems and integrated circuits.A conventional reconfigurable logic circuit uses the SRAM to store the configuration information. With development in the emerging memory technology,the speed and power consumer of reconfigurable logic can be improved by replacing the SRAM with a more compact nonvolatile memory unit.This paper proposes a novel RRAM-based nvSRAM and nvLUT which can replace normal SRAM and LUT for reconfigurable logic.RRAM cell,with characteristics of normally-off and instant-on,suppresses the standby current and also provides better CMOS process compatibility and is easy to realize miniaturiza-tion.

Resistive random access memory；Static random access memory；Look-up table；Nonvolatile logic；Programmable logic；Reconfigurable

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.02.007

TN43

A

1002-2279-（2017）02-0026-04

刘义凯（1984-），男，四川省宜宾市人，工程师，主研方向：数字集成电路设计。

2016-06-15