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自旋转移矩磁性随机存储器(STT-MRAM:Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory)是一种基于材料的磁性来存储信息的新型非易失性存储器,具有与SRAM(Static Random Access Memory)相近的访问速度、与DRAM(Dynamic Random Access Memory)相媲美的存储密度,耐用性好,与CMOS工艺兼容,被看作是未来“统一存储器”的最佳候选,在工业界和学术界引起了极大关注。本文从器件级和电路级对STT-MRAM的核心存储单元的设计展开了研究,主要工作和创新如下:1.对现有的STT-MRAM的核心器件自旋转移矩磁隧道结(STT-MTJ:STT Magnetic Tunnel Junction)及其存储单元进行了对比分析,总结了自旋转移矩互补极化磁隧道结(STT-CPMTJ:STT Complementary Polarizer Magnetic Tunnel Junction)的结构优势;对首款基于STT-CPMTJ的存储器CPSTT-MRAM进行了重点分析,总结了CPSTT-MRAM存在的一个缺陷——写操作中为避免写错误对未选中阵列的预充操作造成的功耗浪费;通过对互补极化电流的抵消作用的分析,提出了一种基于STT-CPMTJ无读破坏读操作的方法。2.总结归纳了STT-MTJ建模的理论基础和建模方法,构建了一个物理效应全面的模型结构,并实现了STT-MTJ的SPICE器件模型;将STT-MTJ的建模方法和理论扩展至新型的STT-CPMTJ上,建立了STT-CPMTJ的SPICE器件模型。利用SPICE模拟和MATLAB分别对模型进行了功能性和准确性验证,验证结果表明本文所建立的器件模型功能正确、结果准确,能够作为电路级模拟的模型基础。3.研究了面向对象的微磁模拟平台(OOMMF:Object-Oriented MicroMagnetic Framework),建立了对STT-CPMTJ读破坏问题进行研究和评估的微磁模拟实验环境和方法;通过对STT-CPMTJ读操作的微磁模拟验证了互补极化电流的抵消作用,证实了所提出的基于STT-CPMTJ实现无读破坏读操作的方法,并从材料设置上完善了所提出的方法。4.提出了一款读写路径分离的存储单元SCPSTT,最大化地发挥了STTCPMTJ的结构优势。SCPSTT-MRAM不仅成功避免了CPSTT-MRAM中对未选中阵列的预充操作,而且成功运用了所提出的无读破坏读操作的方法。SPICE电路模拟和微磁模拟的实验结果表明,SCPSTT-MRAM相比CPSTT-MRAM在写速度上提升了8%,在功耗效率上提升了8倍,读破坏率上降低了93%。5.基于所提出的存储单元SCPSTT,设计了一款全模结构的非易失性寄存器(TMNVFF:Total-Mode Non-volatile Flip-Flop)SCPNVFF,并与当前典型的全模非易失性寄存器SMNVFF进行了对比评估,SPICE电路模拟的实验结果表明,SCPNVFF在写回速度上提升了59%,在相同写回速度下写回功耗降低了57%。对SCPNVFF进行了电路改进,仅仅利用两个PMOS晶体管就实现了非易失模式和锁存模式的自由切换。SPICE蒙特卡洛模拟的实验结果表明,改进的设计功能正确,可以有效地整合TMNVFF面积小和和混模非易失性寄存器(HMNVFF:Hybrid-Mode NVFF)速度快、功耗低的优势。