基于刀片型限制结构的相变存储器阵列的热串扰效应研究

大数据时代的到来,对高密度存储和计算的速度、功耗提出了更高的要求.相变存储器由于具有较短的读取延迟和良好的可扩展性,在存储和计算领域中具有广阔的应用前景.将相变存储器扩展为高密度存储阵列时所产生的热串扰现象是目前阵列集成所面临的重要挑战,而热串扰所产生的干扰热量会进一步传递到相邻单元并使其发生误操作,导致存储器阵列的可靠性、准确性和稳定性受到影响.因此,本文针对一种新型刀片型结构的3×3相变存储器阵列在激活状态下的热串扰现象进行了系统研究,通过仿真计算软件Comsol Multiphysics系统研究了新型刀片型结构的相变存储器阵列对热串扰的敏感性,并探讨了器件单元间距、器件结构尺寸、编程脉冲以及阵列的缩放效应对存储器阵列在工作时所产生的热串扰效应及其功耗的影响.研究结果显示:基于新型刀片型结构的相变存储器阵列,即使将其缩放到20 nm的技术节点,在5 nm的器件单元间距下仍可保持较低的最大热串扰温度.此外本文对阵列单元外部的绝缘层材料进行了改进,通过使用较高热导系数的AlN薄膜来代替SiO_(2)薄膜,在存储器阵列功耗几乎保持不变的情况下进一步有效抑制了热串扰效应,使其最大热串扰温度下降了12.3%.该研究成果对未来基于相变存储器的高密度存储和计算阵列的集成具有非常重要的指导意义.

大功率半导体激光器阵列热串扰行为

以硬焊料传导制冷,30%填充因子半导体激光器阵列为例,建立了三维有限元模型,对阵列内部各发光单元之间的热串扰行为进行了分析研究。结果表明,当其连续波工作时间大于1.2 ms后,阵列内发光单元之间出现热串扰现象;当次热沉由CuW合金改为铜金刚石复合材料时,阵列内发光单元自热阻和相邻发光单元的串扰热阻降低,有效地降低了各发光单元之间的热串扰行为。保持阵列宽度、发光单元数目及发光单元周期不变,发现随阵列填充因子的增加,器件热阻以指数衰减趋势逐渐降低,而发光单元间的热串扰特性对此变化并不敏感;保持阵列单个发光单元输出功率,发光单元尺寸及阵列宽度不变,增加发光单元个数后,阵列内各发光单元之间热串扰加剧,填充因子越高阵列升温速率越快;但在最初约70μs内,包含不同数目发光单元的阵列最高温度差异仅约0.5℃,有利于多发光单元高填充因子器件高功率输出。

一种基于RRAM热串扰的奇偶重排编码算法

阻变存储器(resistive random access memory,RRAM)作为未来一种高性能的非挥发性存储器,具有面积小、操作电压低、兼容性好等特点.但是,在高集成存储器和频繁的写操作下,热串扰问题会严重影响RRAM的保持特性.严重情况下,热串扰问题甚至会造成一系列的错误翻转.因此,本文引入了一种高效的奇偶重排编码算法(parity rearrangement coding scheme,PRCoder)来有效缓解热串扰对RRAM的影响,并在算法层和电路层上分别进行设计与仿真.试验结果表明,PRCoder算法平均降低了32.7%的误翻转率,并同时只会在每一个存储行带来1bit的额外开销.此外,PRCoder仅仅带来0.3%的性能增加和0.008%的面积增加.

一种降低3-D VRRAM热串扰的并行输入重编码电路

3-D VRRAM(Vertical Resistive Random Access Memory)是一种用来降低阻变式存储器单元成本的新型架构.目前对3-D VRRAM阵列的性能评估主要集中于对写入和读取裕度的分析上.然而3-D VRRAM中的中的热串扰效应也是一个值得关注的问题,过高的热串扰会明显降低阵列中存储单元的可靠性.本文提出了一种并行输入重编码电路,通过对输入数据进行重新编码来降低大规模并行写入所引起的热串扰效应.实验结果表明,当并行写入阵列大小为4×4、4×8以及8×8时,使用本文提出的输入重编码电路可以分别降低21.8%、23.9%和12.2%的热串扰效应.此外,使用本文提出的写入重编码仅仅增加了3%的写入延时以及0.07%的额外面积.

高功率垂直腔面发射激光器阵列热特性

为了改善垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列的热特性,提高器件的可靠性,本文基于有限元模型,研究了不同单元间距、排布方式对阵列器件的热串扰现象、热扩散性能的影响.在理论分析的基础上,制备了几种不同排布方式的VCSEL阵列器件,并对其进行测试分析.结果显示,相较于正方形排布方式,新型排布方式器件具有更高的输出功率,同时阈值电流也有所降低.其中五边形排布方式的器件表现出最佳的性能,其输出功率高达150 mW,比正方形排布方式提高了约73%.这表明通过调整阵列单元的间距、排列方式,可以使各单元间的热串扰现象得到有效改善,降低器件的热效应,进而降低器件温度,提高输出特性.

大功率垂直腔面发射激光器列阵的热模拟及优化

对垂直腔面发射激光器的产热情况进行了分析,简化了热源,建立了列阵的热传导模型,利用Comsol Multiphysics软件对模型进行了模拟计算。通过改变底发射列阵的单元直径和间距,对列阵的温升进行了计算。研制了4×4、5×5和8×8三种不同尺寸的列阵,功率分别为580,1 440,2 100 mW,对应功率密度分别为115,374,853 W/cm2。通过光谱的波长漂移计算出4 A时的温升分别为120,58,38℃。采用小孔径单元制作的列阵可以有效地降低列阵单元间的热串扰,获得高功率输出。

热式MEMS流量传感器的设计及测试

根据已有的热式MEMS气体微流量传感器芯片的各部分热敏电阻热串扰现象严重,造成很大的测量误差,改进设计了一种MEMS热式流量传感器,将加热电阻和上下游测温电阻采用悬臂梁隔离结构,并相互隔离,有效的避免了热膜流量传感器各部分热敏电阻间相互热串扰现象。基于改进的MEMS热式流量传感器,设计了流量传感器的测试系统,包括恒温差电路、桥式测量电路及放大、滤波电路,所采集的流量信号经过滤波放大后输入AD模块进行模数转换,最后经过单片机处理,利用单片机与计算机串口通信功能,在不同流速下打印出不同的电压值;通过Matlab对所测出的数据进行拟合,完成对传感器性能的检测。测量结果表明:在一定的流量范围内,该流量传感器具有测量精度高、响应速率快、输出信号平滑等特点,能够广泛应用于工业、医疗领域的流量测量。

增强RRAM可靠性的热通量压缩算法

为提高阻变存储器(RRAM)的可靠性,研究了RRAM中的热串扰问题,提出了一种热通量压缩(TFC)算法,通过在RRAM读写电路之前加入TFC算法,降低在RRAM中产生的焦耳热,从而减弱RRAM中的热串扰问题,提高RRAM的可靠性。TFC算法通过分析计算写入数据流产生的真实焦耳热热量进而判断是否对写入数据流进行翻转编码,即TFC算法会在原始写入数据流和翻转编码数据流二者中选择热通量较小者通过算法层,从而达到减小RRAM存储器中焦耳热热量的目的。理论分析和仿真结果表明:以字节为单位数据块条件下TFC算法平均可降低30%以上的写入焦耳热,阻变单元的保持时间估值平均增加了35%以上。

三维阻变存储器的研究进展

在我国信息产业高速发展的今天,传统存储器难以满足目前的数据存储需求,亟需发展新一代高性能存储器。阻变存储器(RRAM)因其具有结构简单、功耗低、集成密度高、读/写速度快等优势,被认为是最具发展潜力的新兴存储器之一。综述了三维RRAM的发展现状,分析了现阶段三维RRAM面临的漏电流、热串扰、均一性、可靠性等问题,重点探讨了针对以上问题的解决方案,并对于RRAM未来的应用前景进行了分析和预测,认为其在替代传统存储器、神经网络计算、芯片加密防护等方面有重要的应用前景。

保偏空芯带隙光子晶体光纤温度特性研究

提出了一种具有良好保偏(PM)特性的空芯带隙光子晶体光纤(PBF)结构,利用全矢量有限元方法(FEM)对光纤有效折射率、拍长及限制损耗特性受温度波动的影响进行了研究。研究结果表明,在1.55μm波长处,该PBF的双折射高达6.19×10-3,拍长不超过0.25 mm;PBF拍长对温度波动不敏感,拍长温度敏感系数低于2.86×10-8m/℃,比常规的熊猫保偏光纤低两个数量级;光纤损耗对温度波动较为敏感,两正交偏振态限制损耗会随温度提高而增大。这种具有极低拍长温度敏感系数的PM-PBF可以有效降低谐振式光纤陀螺(RFOG)中热致偏振不稳定带来的误差,在RFOG、光纤通讯、光纤传感等领域具有重要的应用价值。

单偏振双芯光子带隙光纤定向耦合器

提出了一种基于双芯光子带隙光纤(PBF)的单偏振(SP)定向耦合器,利用全矢量有限元方法(FEM)对其耦合特性进行了研究。结果表明:通过适当调整纤芯间微孔的大小及掺杂折射率可在耦合器获得SP特性;而纤芯间微孔椭圆率的变化并不会对其SP特性造成干扰,耦合器具有较高的结构参数容错性;通过优化参数,最终获得了一种长度仅为0.403mm的SP定向耦合器。该耦合器在全保偏PBF(PM-PBF)谐振腔应用中,能同时起到分束器及起偏器的作用,可以破坏次本征偏振态(ESOP)的谐振条件,有效抑制次ESOP的传输。这种具有较短长度的SP定向耦合器模场可与之前提出的PM-PBF的模场相匹配,有利于搭建起全PM-PBF谐振腔,这对抑制谐振式光纤陀螺(RFOG)热致偏振串扰噪声、提高RFOG的长期稳定性具有重要意义。