基于2T1MTJ单元结构的STT-MRAM存内计算实现

在处理数据密集型应用时,传统冯·诺依曼计算体系架构难以兼顾低延时与低功耗.通过数据处理架构创新,存内计算技术可有效提升处理器与内存间的通信效率并克服"内存墙"性能瓶颈.提出了一种基于2T1MTJ(双晶体管单磁隧道结)单元结构的通用型STT-MRAM(自旋转移矩磁性随机存储器)存内计算方案,通过复用存取晶体管将位逻辑运算的控制前置于阵列中,并能同时兼顾MRAM常规存储功能.结合SMIC 55nm工艺与p-MTJ紧凑模型进行了CMOS/MTJ混合仿真,并与基于1T1MTJ和2T2MTJ单元结构的同类方案进行了性能对比.结果表明,由于运用了和存储单元具有相同MTJ的单一逻辑运算参考单元,2T1MTJ方案的与/或位逻辑运算正确率和单元写入正确率在不同MTJ工艺偏差、TMR(隧穿磁阻效应)偏差、温度变化、电压波动情况下,整体优于1T1MTJ方案;相比2T2MTJ方案,提出方案的写入正确率高37.1%,单元面积减半.此外,还提出一种采用双阈值晶体管的改进型2T1MTJ单元结构方案,其读写性能均优于采用相同存取晶体管的2T1MTJ方案,其中对单元写入正确率的提升达9.4%.