CN116755638B - 一种低资源消耗的面向忆阻器耐久性的磨损均衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低资源消耗的面向忆阻器耐久性的磨损均衡方法，属于集成电路技术领域。本发明是将被频繁写入数据的存储空间块与未被频繁写入数据的存储空间块进行数据交换，使数据写入在整个存储空间上尽可能均匀，有助于缓解频繁读写带来的器件损坏的问题，提高RRAM阵列寿命。同时，该发明在不改变存储器整体架构的情况下，尽可能少的花费额外存储资源和算力，保证较低的面积与能量开销，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种低资源消耗的面向忆阻器耐久性的磨损均衡方法。
背景技术
忆阻器（以下简称RRAM）是一种具有记忆效应的阻变开关，其电阻能够在撤电之后稳定地保持，因此具备天然的非易失特性。RRAM的电路符号及较为典型的I-V曲线如图1所示，在不同的电压幅值和极性的情况下，RRAM会进行高低阻切换。将低阻切换为高阻的电压记为，高阻切换为低阻的电压记为/>，如果将RRAM的高、低阻分别对应逻辑运算中的0、1，配合RRAM掉电后信息不丢失的特性，就可以将RRAM应用于信息存储领域。尤其是除了非易失特性之外，RRAM具有结构简单、与CMOS工艺兼容、阻变速度快、尺寸小、集成密度高等特点，这使得RRAM在替代读写速度慢、微缩难度极大的闪存有着巨大优势，应用前景广阔。
在存储领域应用时，RRAM首先面临的问题便是频繁读写，尽管相对闪存器件而言，RRAM的耐久性有一定优势，但同样无法经受频繁读写带来的器件寿命上的损耗。当同一地址的器件信息需要频繁更新时，RRAM需要频繁进行写入，这可能会导致寿命降低，即“磨损”，进而导致器件固定处于某个阻态，失去存储能力。因为，磨损均衡电路是RRAM存储化应用中必不可少的关键电路，有助于推动RRAM在存储领域的应用。
磨损均衡主要分两类，分别是动态磨损均衡和静态磨损均衡。二者的主要差别在于动态磨损均衡使用具有更高耐久性的额外的存储器如静态随机存储器（以下简称SRAM），来存放即将写入的数据，达到写入次数或者外加存储器满时再写入主存储器；静态磨损均衡的出发点是通过算法设计，使得被频繁写入的物理地址上的数据可以迁移到未被频繁写入的区块内，以此实现整个存储空间上的写入均衡。由于动态磨损均衡需要额外引入SRAM作为缓冲，占用过多的额外资源，存在RRAM耐久性较差，频繁读写时可能造成的器件损坏的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出一种低资源消耗的面向RRAM耐久性的磨损均衡方法。
本发明的技术方案如下：
一种低资源消耗的面向RRAM耐久性的磨损均衡方法，其特征在于，该方法针对RRAM存储器阵列，每个RRAM单元对应一个物理地址，用物理地址将RRAM存储空间分割成多个存储空间块，每个存储空间块与写入标志表FT中的标志有映射关系；所述写入标志表FT由多个1比特标志组成，每个标志取值1或0，取值1表示该标志对应的存储空间块被写入数据，取值0表示该标志对应的存储空间块未被写入数据，如果FT中所有标志都是1，表示FT已满，所有空间都被写入磨损；磨损均衡方法是通过将被频繁写入的存储空间块中的数据与未被频繁写入的存储空间块中的数据进行交换的方法，该方法包括参数有：整个存储空间写入次数、写入标志表中标志值为1的个数/>、磨损均衡触发阈值/>、未被写入过的存储空间块起始地址为冷地址zaddr、被写入的存储空间块起始地址为热地址waddr，其中、/>、FT初始化值都为0；该方法包括以下步骤：
(1)监测RRAM阵列的写入，记录，记录waddr，根据FT中标志和RRAM单元物理地址块之间映射关系设置标志并/>加一；
(2)判断与磨损均衡触发阈值T的大小关系，若/>，进入步骤(4)，若/>，回到步骤(1)；/>是总写入次数与被写入的区块数之间的商，表示每个存储空间块的平均写入次数，如果超过预设的阈值/>，则存在某一块存储空间相较其他存储空间块写入次数过多，需要进行磨损均衡；
(3)判断FT是否已满，未满进入步骤(4)，已满说明所有空间均被写过，没有可以互换的两个地址块，清零FT、、/>，回到步骤(1)；
(4)热地址waddr单元中的数据与FT中值为0的标志对应的冷地址zaddr单元中的数据进行交换，更新FT、、/>，返回步骤(1)。
进一步，所述的步骤(4)包含三个细分步骤：
a) 搜索流程，遍历FT，搜索第一个值为0的标志，找到未被写入的存储空间块，其起始地址记为zaddr；
b) 交换流程，在找到zaddr后，将热地址waddr对应的存储空间块中的2 k 个存储字与冷地址zaddr对应的存储空间块中的2 k 个存储字互换；
c) 参数更新流程，由于zaddr对应的存储空间块被写入，需要将FT中zaddr起始的存储空间块对应的标志置1；将右移n位缩小2 n 。
进一步，所述的FT中标志和RRAM单元的物理地址存储空间块之间进行构成映射关系的对应方法，采用使用2的指数对应方法，使用1比特的标志映射2 k 个RRAM单元，k的不同取值实现不同精细程度的映射。
所述方法使用变量参数只有6个：、FT、/>、/>、zaddr、waddr。
本发明的技术效果如下：
本发明提出一种低资源消耗的面向RRAM耐久性的磨损均衡方法，是将被频繁写入数据的存储空间块与未被频繁写入数据的存储空间块进行数据交换，使数据写入在整个存储空间上尽可能均匀，有助于缓解频繁读写带来的器件损坏的问题，提高RRAM阵列寿命。同时，该发明在不改变存储器整体架构的情况下，尽可能少的花费额外存储资源和算力，保证较低的面积与能量开销。
附图说明
图1为RRAM电路符号及经典I-V曲线；
图2为本发明具体实施例中的标志映射表原理图及其对应法则、更新方式；
图3为本发明提出的磨损均衡方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步清楚、完整地阐述本发明。
本发明提出的低资源消耗的面向RRAM耐久性的磨损均衡方法，是针对RRAM存储器阵列中存储单元写入的磨损均衡方法。
图2为标志映射表原理图及其对应法则、更新方式，图中左侧为RRAM存储空间，由RRAM存储单元构成，每个RRAM存储单元对应一个物理地址，将存储空间按物理地址分割成一个一个的存储空间块，每个块对应右侧一个1比特的标志；右侧是由值为0或1的标志组成的标志表FT，这些标志初始值为零，当某个标志对应的物理地址存储空间被写入后，该标志拉高置1代表该空间被磨损，如果FT中所有标志值都是1，表示FT已满，所有空间都被写入磨损。当存储空间较大而额外存储资源需求较为紧张时，可使用更少的标志来对应更多的存储空间。由于计算机均为二进制，出于节省算力的目的，本发明的对应方式均为2的指数对应，即1个标志对应2k个存储单元。图2所展示的映射关系为2个RRAM存储单元对应1个标志，即k=1。图中标号0的标志对应物理地址0和1的存储空间，标号1的标志对应物理地址2和3的存储空间，以此类推。每当有1个RRAM单元对应的物理地址被写入时，FT中对应的标志置1。图中所示标志1被置1，表示着物理地址2、3至少有一个被更改，标志3被置1，表示物理地址6、7至少有一个被更改。
本发明提出的低资源消耗的面向RRAM耐久性的磨损均衡方法的流程如图3所示。磨损均衡方法是通过将被频繁写入的存储空间块中的数据与未被频繁写入的存储空间块中的数据进行交换的方法，该方法包括参数有：整个存储空间写入次数、写入标志表中标志值为1的个数/>、磨损均衡触发阈值/>、未被写入过的存储空间块起始地址为冷地址zaddr、当前写入的存储空间块起始地址为热地址waddr，其中/>、/>、FT初始化值都为0；该方法包括以下步骤：
(1)监测RRAM阵列的写入，记录，记录写入的物理地址waddr，根据FT中标志和RRAM单元物理地址块之间映射关系设置标志并/>加一；
(2)判断与磨损均衡触发阈值T大小关系，若/>，进入步骤(4)，若/>，回到步骤(1)；/>是总写入次数与被写入的区块数之间的商，表示每个存储空间块的平均写入次数，如果超过预设的阈值/>，则存在某一块存储空间相较其他存储空间块写入次数过多，需要进行磨损均衡；
(3)判断FT是否已满，未满进入步骤(4)，已满说明所有空间均被写过，没有可以互换的两个地址块，清零FT、、/>，回到步骤(1)；
(4)热地址waddr单元与FT中值为0的标志对应的冷地址zaddr单元中的数据进行交换，更新FT、、/>，返回步骤(1)。
所述的步骤(4)包含三个细分步骤：
a) 搜索流程，遍历FT，搜索第一个值为0的标志，找到未被写入的存储空间块，其起始地址记为zaddr；
b) 交换流程，在找到zaddr后，将热地址waddr对应的存储空间块中的2 k 个存储字与冷地址zaddr对应的存储空间块中的2 k 个存储字互换；
c) 参数更新流程，由于zaddr对应的存储空间块被写入，需要将FT中zaddr起始的存储空间块对应的标志置1；将右移n位缩小2 n 。
设定存储器空间有8个RRAM存储单元，每2个存储单元对应1个标志，阈值T为4。通过实例具体说明该方法。
监测上位机开始一轮对RRAM阵列的写入，监测到上位机分别对地址0、2、4、6写入数据，此时和/>均增加到4，FT中的所有标志均拉高。随后随着上位机对存储单元的继续写入，/>继续增加直至/>，此时/>且FT已满。清零变量参数/>、和FT。
监测上位机开始又一轮对RRAM阵列的写入，监测到上位机对RRAM存储空间物理地址1写入数据，FT中的第0个标志拉高，同时和/>均加一。上位机持续对地址5写入数据，直至/>增加至8，FT中的第2个标志拉高，/>增加至2，waddr为5。此时/>，且FT未满，触发磨损均衡。找到zaddr为2对应标志是1，将标志2和标志1对应的存储空间内的数据进行交换。交换完毕，将/>右移2位变为2，FT中的标志1拉高，/>加1，等待下一轮上位机对RRAM阵列的读写。
从这一例子中可以看到，对RRAM阵列频繁的写入均匀分布到了所有存储空间中，在有限的耐久性之下，实现了RRAM耐久性的磨损均衡， RRAM存储阵列的使用寿命更长。
最后，需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (3)
1.一种低资源消耗的面向RRAM耐久性的磨损均衡方法，其特征在于，该方法针对RRAM存储器阵列，每个RRAM单元对应一个物理地址，用物理地址将RRAM存储空间分割成多个存储空间块，每个存储空间块与写入标志表FT中的标志有映射关系；所述写入标志表FT由多个1比特标志组成，每个标志取值1或0，取值1表示该标志对应的存储空间块被写入数据，取值0表示该标志对应的存储空间块未被写入数据，如果FT中所有标志值都是1，表示FT已满，所有空间都被写入磨损；磨损均衡方法是通过将被频繁写入的存储空间块中的数据与未被频繁写入的存储空间块中的数据进行交换的方法，该方法包括参数有：整个存储空间写入次数、写入标志表中标志值为1的个数/>、磨损均衡触发阈值/>、未被写入过的存储空间块起始地址为冷地址zaddr、被写入的存储空间块起始地址为热地址waddr，其中/>、/>、FT初始化值都为0；该方法包括以下步骤：
(1)监测RRAM阵列的写入，记录，记录waddr，根据FT中标志和RRAM单元物理地址块之间的映射关系设置标志并/>加一；
(2)判断与磨损均衡触发阈值T的大小关系，若/>，进入步骤(4)，若，回到步骤(1)；/>是总写入次数与被写入的区块数之间的商，表示每个存储空间块的平均写入次数，如果超过预设的阈值/>，则存在某一块存储空间相较其他存储空间块写入次数过多，需要进行磨损均衡；
(3)判断FT是否已满，未满进入步骤(4)，已满说明所有空间均被写过，没有可以互换的两个地址块，清零FT、、/>，回到步骤(1)；
(4) 热地址waddr单元与FT中值为0的标志对应的冷地址zaddr单元中的数据进行交换，更新FT、、/>，返回步骤(1)。
2.如权利要求1所述的低资源消耗的面向RRAM耐久性的磨损均衡方法，其特征在于，所述的步骤(4)包含三个细分步骤：
a) 搜索流程，遍历FT，搜索第一个值为0的标志，找到未被写入的存储空间块，其起始地址记为zaddr；
b) 交换流程，在找到zaddr后，将热地址waddr对应的存储空间块中的2 k 个存储字与冷地址zaddr对应的存储空间块中的2 k 个存储字互换；
c) 参数更新流程，由于zaddr对应的存储空间块被写入，需要将FT中zaddr起始的存储空间块对应的标志置1；将右移n位缩小2 n 。
3.如权利要求1所述的低资源消耗的面向RRAM耐久性的磨损均衡方法，其特征在于，所述的FT中标志和RRAM单元的物理地址存储空间块之间构成映射关系的对应方法，采用使用2的指数对应方法，使用1比特的标志映射2 k 个RRAM单元，k的不同取值实现不同精细程度的映射。
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