一种使用MRAM的存储装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种使用MRAM的存储装置，包括主存储器、主控制器、第一辅助存储器，主控制器内集成第二辅助存储器和搜索加速器；第一辅助存储器和第二辅助存储器都是非易失的随机读写存储器，搜索加速器用于控制内容寻址操作以便加速搜索第二辅助存储器中的数据。主存储器选用NAND闪存，第一辅助存储器是独立的MRAM芯片，第二辅助存储器是MRAM。主控制器内集成的第二辅助存储器分成多个存储空间，主控制器内集成多个搜索加速器，每个搜索加速器负责检索一个存储空间。本发明专利技术提出的这种使用在控制芯片内置MRAM、外置MRAM与闪存的混合式存储装置，是一个费效比很高的存储解决方案。

A storage device using MRAM

The invention provides a storage device using MRAM, including a main memory, a main controller and a first auxiliary memory, wherein a second auxiliary memory and a search accelerator are integrated in the main controller; the first auxiliary memory and the second auxiliary memory are non-volatile random read-write memories, and the search accelerator is used to control the content addressing operation so as to speed up the search in the second auxiliary memory Data. NAND flash memory is selected as the main memory, the first auxiliary memory is an independent MRAM chip, and the second auxiliary memory is MRAM. The second auxiliary memory integrated in the main controller is divided into a plurality of storage spaces, and a plurality of search accelerators are integrated in the main controller, each of which is responsible for retrieving a storage space. The hybrid storage device which uses MRAM in the control chip and MRAM and flash memory outside is a high cost-effective storage solution.

【技术实现步骤摘要】
一种使用MRAM的存储装置
本专利技术涉及一种存储装置，具体涉及一种使用MRAM的存储装置，属于半导体芯片

技术介绍
MRAM是一种新的内存和存储技术，可以像SRAM/DRAM一样快速随机读写，还可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据。它的经济性相当地好，单位容量占用的硅片面积比SRAM有很大的优势，比在此类芯片中经常使用的NORFlash也有优势，比嵌入式NORFlash的优势更大。它的性能也相当好，读写时延接近最好的SRAM，功耗则在各种内存和存储技术最优。而且MRAM不像DRAM以及Flash那样与标准CMOS半导体工艺不兼容，MRAM可以和逻辑电路集成到一个芯片中。MRAM的原理，是基于一个叫做MTJ(磁性隧道结)的结构。它是由两层铁磁性材料夹着一层非常薄的非铁磁绝缘材料组成的，如图1和图2所示。下面的一层铁磁材料是具有固定磁化方向的参考层13，上面的铁磁材料是可变磁化方向的记忆层11，记忆层11的磁化方向可以和参考层13相平行或反平行。由于量子物理的效应，电流可以穿过中间的隧道势垒层12，但是MTJ的电阻和可变磁化层的磁化方向有关。记忆层11和参考层13的磁化方向相平行时电阻低，如图1；反平行时电阻高，如图2。读取MRAM的过程就是对MTJ的电阻进行测量。使用比较新的STT-MRAM技术，写MRAM也比较简单：使用比读更强的电流穿过MTJ进行写操作。一个自下而上的电流把可变磁化层置成与固定层反平行的方向。自上而下的电流把它置成平行的方向。每个MRAM的存储单元由一个磁性隧道结和一个NMOS选择管组成。每个存储单元需要连接三根线：NMOS选择管的栅极连接到芯片的字线(WordLine)32，负责接通或切断这个单元；NMOS选择管的一极连在源极线(SourceLine)33上，NMOS选择管的另一极和磁性隧道结34的一极相连，磁性隧道结34的另一极连在位线(BitLine)31上，如图3所示。一个MRAM芯片由一个或多个MRAM存储单元的阵列组成，每个阵列有若干外部电路：行地址解码器，用于把收到的地址变成字线的选择；列地址解码器，用于把收到的地址变成位线的选择；读写控制器，用于控制位线上的读(测量)写(加电流)操作；输入输出控制，用于和外部交换数据。当前，NAND闪存技术的发展推动了SSD(固态硬盘)产业。SSD与主机之间使用高速串行接口如SATA，PICe等技术。内部由用于存储数据的一组NAND芯片，用于支持计算和缓存数据的DDRDRAM(内存)，以及一个主控芯片(SSDController)组成，NAND中还存储逻辑地址与物理地址对照表。有时候还需要断电保护系统。NAND是一种整块读写的存储设备，最小可读取的单元叫页(page)，最小可擦除的单元叫块(block)，一个块往往由很多页组成，块擦除后里面的页可以进行单独的写入操作。写入操作很慢，比读取慢得多，而擦除操作又比写入更加慢得多。大部分NAND芯片要求，在一个块被擦除后，其页必须按顺序写入。一个块的相邻页写入之间，写另外块的页，则是允许的。由于擦写NAND非常费时，特别是重新写入整个block的内容。NAND芯片以及由其组成的存储系统，通常采用多通道平行写入提高系统的总写入带宽。一个存储装置中可能有很多NAND芯片，每一个芯片内常常封装了多个硅片，每个硅片有不同的Plane，每个Plane都是独立的通道，可以平行的写入。NAND闪存的一个问题是NAND具有有限的寿命。里面的每一个page经过一定次数的擦写以后，就会永久失效不能继续使用。目前的产业发展趋势是NAND的容量和数据密度增长非常快，但却是以降低寿命为代价。可擦写次数从最初的10万次降低到目前的3000次左右。NAND闪存一般在出厂时就有一些损坏的块，使用过程中坏块可能还会不断出现，因此所有的NAND闪存都伴随着一个坏块表，一般会被存储在NAND闪存的指定区域或者在坏块上做标记。因为NAND闪存的以上特性，SSD内部的NAND管理软件比较复杂。为了不使某些经常发生写操作的块提前损坏，需要进行写均衡处理。文件系统软件所识别的逻辑地址和物理地址是不同的，需要一个表把二者对应起来。由于NAND擦除太慢，一般修改一内容时不在原来的块区更新，而是把新的内容写到一个新的块区，旧块区标记为无效，等CPU空闲下来再擦除它。这样，逻辑地址物理地址的对照表是不断动态更新的。这个表正比于SSD的总容量，存在DDRDRAM里，另外在NAND里面也有相应的标记。随着市场上SSD容量的迅速增加，这个表成为DRAM最大的消耗者。MRAM的非易失性和快速读写功能使得它可以作为一个辅助存储介质提高基于NAND的存储装置的整体性能。它可以和逻辑电路集成，把SSD主控芯片集成到一起就成为很有吸引力的选项。美国专利US2010/0191896A1提出了图7的架构。这个SSD主控芯片中含有CPU、主机接口202、闪存接口205，还有一块嵌入式MRAM。用于主机接口和闪存接口之间的缓存，和上述逻辑物理地址对照表。这个架构有一个问题：随著SSD的容量越来越大，缓存和逻辑物理地址对照表需要的容量越来越大。在高端的SSD中，需要的缓存已经超过1Gb，而逻辑物理地址对照表需要8Gb以上的容量。这样的容量，对和逻辑电路兼容的嵌入式MRAM，太大了。近几年无法达到。而对于基于DRAM工艺发展的外置MRAM，更有希望尽快达到。更大的容量带来了另外一个问题：在缓存中、在对照表中搜索，需要的时间越来越长，影响系统的性能。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是：利用MRAM优化NAND闪存的整体性能。为了解决上述技术问题，本专利技术提出了一种使用在控制芯片内置MRAM、外置MRAM与闪存的混合式存储装置。具体技术方案如下：一种使用MRAM的存储装置，包括主存储器、主控制器、第一辅助存储器，主控制器内集成第二辅助存储器和搜索加速器；第一辅助存储器和第二辅助存储器都是非易失的随机读写存储器，搜索加速器用于控制内容寻址操作，以便加速搜索第二辅助存储器中的数据。进一步地，第二辅助存储器是MRAM。进一步地，主控制器内集成的第二辅助存储器分成多个存储空间，主控制器内集成多个搜索加速器，每个搜索加速器负责检索一个存储空间。进一步地，主存储器选用NAND闪存，第一辅助存储器是独立的MRAM芯片。进一步地，第一辅助存储器中建立缓存区，缓存区用于缓存NAND闪存读写的数据；在第二辅助存储器中建立缓存表记录NAND闪存的每一个被缓存的页的逻辑地址和缓存区的物理地址的对应信息。进一步地，读写NAND闪存时，利用搜索加速器搜索缓存表，查询读写的页是否在缓存区内。进一步地，主控制器内集成CPU。本专利技术的有益效果：和之前的方案比，本专利技术的架构是一个费效比更高，性能也更好的存储方案。附图说明图1是磁性隧道结处于低电阻态时，记忆层与参考层磁性平行的示意图；图2是磁性隧道结处于高电阻态本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种存储装置，其特征在于，包括主存储器、主控制器、第一辅助存储器，所述主控制器内集成第二辅助存储器和搜索加速器；所述第一辅助存储器和所述第二辅助存储器都是非易失的随机读写存储器，所述搜索加速器用于控制内容寻址操作以便加速搜索所述第二辅助存储器中的数据。/n

【技术特征摘要】
1.一种存储装置，其特征在于，包括主存储器、主控制器、第一辅助存储器，所述主控制器内集成第二辅助存储器和搜索加速器；所述第一辅助存储器和所述第二辅助存储器都是非易失的随机读写存储器，所述搜索加速器用于控制内容寻址操作以便加速搜索所述第二辅助存储器中的数据。


2.根据权利要求1所述的一种存储装置，其特征在于，所述第一辅助存储器是MRAM，所述第二辅助存储器是嵌入式MRAM。


3.根据权利要求1所述的一种存储装置，其特征在于，所述主控制器内集成的所述第二辅助存储器分成多个存储空间，所述主控制器内集成多个所述搜索加速器，每个所述搜索加速器负责检索...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴瑾，
申请(专利权)人：上海磁宇信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31