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集成mram高速緩存模塊的制作方法

文檔序號(hào):8548176閱讀:422來源:國知局
集成mram高速緩存模塊的制作方法
【專利說明】集成MRAM高速緩存模塊
[0001]公開領(lǐng)域
[0002]所公開的實(shí)施例針對(duì)磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)。更具體而言,示例性實(shí)施例針對(duì)包括存儲(chǔ)器元件(諸如MRAM末級(jí)高速緩存、MRAM主存儲(chǔ)器、和存儲(chǔ)器控制器)的集成MRAM模塊。
【背景技術(shù)】
[0003]可以用對(duì)存儲(chǔ)器子系統(tǒng)的高效設(shè)計(jì)來改進(jìn)處理系統(tǒng)的性能和能量效率。存儲(chǔ)器子系統(tǒng)的常規(guī)架構(gòu)包括非易失性存儲(chǔ)器(諸如靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM))和易失性存儲(chǔ)器(諸如,動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM))的組合。SRAM和DRAM技術(shù)在本領(lǐng)域中是熟知的。
[0004]SRAM單元通常比DRAM單元更快速,但是也比DRAM單元要大。盡管SRAM的面積消耗很大,但是因?yàn)槠漭^高的速度和性能特性,SRAM仍然在寄存器堆和高速緩存中找到片上的一席之地。但是,SRAM單元往往本質(zhì)上是有泄漏的,并且隨著設(shè)備技術(shù)越縮越小,SRAM單元的泄漏問題會(huì)加劇。
[0005]在另一方面,DRAM單元以較低速度為代價(jià)提供了小尺寸或高密度的優(yōu)勢。DRAM常規(guī)上被用于可位于片外的主存儲(chǔ)器中。DRAM成本也較低并且可很好地適從于堆疊式架構(gòu),以用于創(chuàng)建大的低成本片外存儲(chǔ)方案。然而,DRAM也遭受對(duì)于越縮越小的設(shè)備技術(shù)而言可伸縮性有限的不利影響,特別是在亞1nm范圍中。DRAM的另一公認(rèn)的缺點(diǎn)是其易失性本質(zhì),這要求不斷的刷新,并且由此招致與刷新功率相關(guān)聯(lián)的不期望的成本。
[0006]相應(yīng)地,采用面向性能的SRAM用于片上高速緩存并且采用面向密度的DRAM用于片外存儲(chǔ)器的常規(guī)存儲(chǔ)器子系統(tǒng)設(shè)計(jì)遭受限制。處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的最近趨勢對(duì)片上末級(jí)高速緩存(LLC)造成了高要求。由此,SRAM LLC趨向于占用片上較大的面積,其中可用的臺(tái)面空間由于不斷增加的組件和縮減的總體表面積而不斷縮減。另一方面,具有較高數(shù)據(jù)訪問要求的應(yīng)用也對(duì)主存儲(chǔ)器中采用的片外DRAM造成額外的壓力。然而,如以上所討論的,DRAM并不很適用于投放此類較高帶寬。進(jìn)一步,片上處理器與片外存儲(chǔ)器之間的片外互連為了滿足增長的帶寬需求也承受更嚴(yán)重的壓力,并且這也導(dǎo)致增加的功耗。
[0007]相應(yīng)地,本領(lǐng)域中存在對(duì)于克服與常規(guī)設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)的前述問題的存儲(chǔ)器子系統(tǒng)的需要。
[0008]概述
[0009]本發(fā)明的示例性實(shí)施例針對(duì)包括存儲(chǔ)器元件(諸如MRAM末級(jí)高速緩存和MRAM主存儲(chǔ)器)的集成MRAM模塊的系統(tǒng)和方法。
[0010]例如,一示例性實(shí)施例針對(duì)一種集成電路,包括:處理器;包括MRAM末級(jí)高速緩存和MRAM主存儲(chǔ)器的磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)模塊;以及耦合所述處理器和所述MRAM模塊的接口。
[0011]另一示例性實(shí)施例涉及一種形成集成電路的方法,所述方法包括:在第一封裝上形成沒有末級(jí)高速緩存的處理芯片,以及在第二封裝中形成包括MRAM末級(jí)高速緩存和MRAM主存儲(chǔ)器的MRAM模塊。
[0012]另一示例性實(shí)施例針對(duì)一種系統(tǒng),包括:形成在第一封裝上的沒有末級(jí)高速緩存的處理裝置,以及形成在第二封裝中的包括末級(jí)高速緩存和主存儲(chǔ)器的磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)存儲(chǔ)器裝置。
[0013]又一示例性實(shí)施例針對(duì)一種形成集成電路的方法,所述方法包括:用于在第一封裝上形成沒有末級(jí)高速緩存的處理芯片的步驟,以及用于在第二封裝中形成包括MRAM末級(jí)高速緩存和MRAM主存儲(chǔ)器的MRAM模塊的步驟。
[0014]附圖簡述
[0015]給出附圖以幫助對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行描述,且提供附圖僅用于解說實(shí)施例而非對(duì)其進(jìn)行限定。
[0016]圖1解說了包括常規(guī)處理系統(tǒng)100的集成電路。
[0017]圖2解說了包括根據(jù)示例性實(shí)施例配置的示例性處理系統(tǒng)200和存儲(chǔ)器模塊218的集成電路。
[0018]圖3是包括示例性MRAM模塊318的示例性處理系統(tǒng)300的示意圖。
[0019]圖4A-C解說了示例性MRAM模塊的物理實(shí)現(xiàn)。
[0020]圖5解說了根據(jù)示例性實(shí)施例的形成包括處理器和MRAM模塊的集成電路的方法的流程圖。
[0021]圖6解說了其中可有利地采用本公開的實(shí)施例的示例性無線通信系統(tǒng)600。
[0022]詳細(xì)描述
[0023]本發(fā)明的各方面在以下針對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施例的描述和有關(guān)附圖中被公開??梢栽O(shè)計(jì)替換實(shí)施例而不會(huì)脫離本發(fā)明的范圍。另外,本發(fā)明中眾所周知的元素將不被詳細(xì)描述或?qū)⒈皇∪ヒ悦鉄煕]本發(fā)明的相關(guān)細(xì)節(jié)。
[0024]措辭“示例性”在本文中用于表示“用作示例、實(shí)例或解說”。本文中描述為“示例性”的任何實(shí)施例不必被解釋為優(yōu)于或勝過其他實(shí)施例。同樣,術(shù)語“本發(fā)明的各實(shí)施例”并不要求本發(fā)明的所有實(shí)施例都包括所討論的特征、優(yōu)點(diǎn)、或工作模式。
[0025]本文中所使用的術(shù)語僅出于描述特定實(shí)施例的目的,而并不旨在限定本發(fā)明的實(shí)施例。如本文所使用的,單數(shù)形式的“一”、“某”和“該”旨在也包括復(fù)數(shù)形式,除非上下文另有明確指示。還將理解,術(shù)語“包括”、“具有”、“包含”和/或“含有”在本文中使用時(shí)指明所陳述的特征、整數(shù)、步驟、操作、元素、和/或組件的存在,但并不排除一個(gè)或多個(gè)其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元素、組件和/或其群組的存在或添加。
[0026]此外,許多實(shí)施例是根據(jù)將由例如計(jì)算設(shè)備的元件執(zhí)行的動(dòng)作序列來描述的。將認(rèn)識(shí)到,本文描述的各種動(dòng)作能由專用電路(例如,專用集成電路(ASIC))、由正被一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行的程序指令、或由這兩者的組合來執(zhí)行。另外,本文描述的這些動(dòng)作序列可被認(rèn)為是完全體現(xiàn)在任何形式的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)內(nèi),其內(nèi)存儲(chǔ)有一經(jīng)執(zhí)行就將使相關(guān)聯(lián)的處理器執(zhí)行本文所描述的功能性的相應(yīng)計(jì)算機(jī)指令集。因此,本發(fā)明的各種方面可以用數(shù)種不同形式來體現(xiàn),所有這些形式都已被構(gòu)想落在所要求保護(hù)的主題內(nèi)容的范圍內(nèi)。另外,對(duì)于本文描述的每個(gè)實(shí)施例,任何此類實(shí)施例的對(duì)應(yīng)形式可在本文中被描述為例如“被配置成執(zhí)行所描述的動(dòng)作的邏輯”。
[0027]示例性實(shí)施例認(rèn)識(shí)到與包括用SRAM設(shè)計(jì)的片上高速緩存、用DRAM設(shè)計(jì)的片外存儲(chǔ)器的、在片上處理組件與片外存儲(chǔ)器之間有昂貴并且高耗電的互連的常規(guī)存儲(chǔ)器架構(gòu)相關(guān)聯(lián)的問題。實(shí)施例用本文中將進(jìn)一步詳細(xì)描述的示例性磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)模塊來減輕這些問題。
[0028]MRAM是非易失性存儲(chǔ)器技術(shù),其特征是高速度以及小尺寸和低成本。與諸如SRAM和DRAM之類的將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為電荷或電流的常規(guī)RAM技術(shù)形成對(duì)比,MRAM使用磁性元件。在MRAM中,磁隧道結(jié)(MTJ)存儲(chǔ)元件可由兩個(gè)各自能保持磁場的由隧道勢皇層或類似物分開的磁層形成。這兩個(gè)磁層中的一個(gè)(通常被稱為“固定層”)被設(shè)置成特定極性。另一磁層(通常被稱為“自由層”)的極性自由改變以匹配可能被施加的外部場的極性。自由層極性的改變將改變MTJ存儲(chǔ)元件的電阻。相應(yīng)地,當(dāng)這兩個(gè)磁層的極性對(duì)準(zhǔn)時(shí),存在低電阻狀態(tài),其可被指定為第一邏輯狀態(tài),諸如邏輯“O”。當(dāng)這些極性不對(duì)準(zhǔn)時(shí),存在高電阻狀態(tài),其可被指定為第二邏輯狀態(tài),諸如邏輯“I”。以此方式,MRAM可以基于這兩個(gè)磁層的相對(duì)極性來存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)。對(duì)于讀操作,可使電流通過MTJ存儲(chǔ)元件,并且可測量電阻以確定所存儲(chǔ)的值是“O”還是“I”。對(duì)于寫操作,可通過傳播電流以建立磁場來寫數(shù)據(jù)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會(huì)理解與MRAM相關(guān)聯(lián)的進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)和變型。
[0029]可以看到,MRAM具有使其成為通用存儲(chǔ)器的候選者的若干可取特征。這些可取特征包括高速度、高密度或即小位單元尺寸、低功耗、以及不隨時(shí)間降格。常規(guī)MRAM的變型可進(jìn)一步在此類可取方面作出改進(jìn)。例如,自旋轉(zhuǎn)移矩MRAM(STT-MRAM)使用在通過起到自旋過濾器作用的薄膜時(shí)變得自旋極化的電子。STT-MRAM被認(rèn)為比常規(guī)MRAM更加可伸縮,并且也可以更簡單的電路設(shè)計(jì)為特征。STT-MRAM也被稱為自旋轉(zhuǎn)移矩RAM (STT-RAM)、自旋矩轉(zhuǎn)移磁化切換RAM(Spin-RAM)、和自旋動(dòng)量轉(zhuǎn)移(SMTRAM)。
[0030]示例性實(shí)施例將參考MRAM來描述。然而,將會(huì)理解,該說明書是解說性的并且并不旨在作為限定。相應(yīng)地,將會(huì)理解,實(shí)施例可被擴(kuò)展至MRAM技術(shù)的任何合適變型(諸如STT-MRAM)而不脫離本公開的范圍。
[0031]此外,將會(huì)理解,術(shù)語“集成電路”、“芯片”、“封裝”、“管芯”等可以參考實(shí)施例可互換地使用。對(duì)于“片上”組件的引用可指示該組件是集成在與處理器、應(yīng)用處理器(AP)、處理核等相同的芯片上的,其并不包括主存儲(chǔ)器。相應(yīng)地,“片外”組件可以指沒有集成在片上的組件。對(duì)于“封裝”的引用可一般地指示可使用系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)、三維(3D)穿硅通孔(TSV)、和/或其他技術(shù)被封裝在一起的一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體管芯。對(duì)于“單片”封裝或管芯的引用可被用于傳達(dá)組件被集成或制造為芯片上、管芯上或封裝上的統(tǒng)一
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