多阻态忆阻器的控制方法、装置及测试平台

1.本技术涉及忆阻器控制技术领域，特别涉及一种多阻态忆阻器的控制方法、装置以及测试平台。

背景技术：

2.随着智能手机，平板电脑，移动存储设备等便携式电子产品的普及和不断发展，非易失性存储器市场不断扩大。基于电荷存储的闪存是非易失性存储器市场二十多年的主流产品但是在新的应用场景和应用需求下仍然有如下的缺点。例如耐久性差、编程速度慢和工作电压高。并且在微缩性越来越重要下降速度也越来越快的今天基于电荷存储的闪存也会很快的到达其物理微缩的极限。忆阻器具有微缩化的潜力，同时又结构简单、数据保持特性好、读写速度快，又可应用于神经计算的多值存储，具有替换闪存的能力。
3.忆阻器的可靠性是忆阻器使用时所考虑最关键的一项因素，其中耐久性是可靠性是最重要的一个方面。目前多比特耐久性测试主要分为两个策略：一种是通过测试得出忆阻器高低阻态后，将阻态区间人为分成不同的区间段定义为不同的阻值状态。通过脉冲和幅值小的操作操作电压可以一步一步的将忆阻器操作到目标的阻态，进而进行耐久性测试。
4.另一种也是通过测试得出忆阻器高低阻态后，将阻态区间人为分成不同的区间段定义为不同的阻值状态。通过变操作电压幅值的方式，通过不断地set/reset操作幅值变化的电压可以将忆阻器的状态操作到目标阻态，进而进行耐久性测试。
5.然而，相关技术只能向目标阻态逐级进行阻态变化，不能快速切换到目标阻态导致耗费大量的时间，实用性较差，且由于达到目标阻态可能会往复进行多次set和reset操作，由此增大能耗，减少了忆阻器的寿命，亟待解决。

技术实现要素：

6.本技术提供一种多阻态忆阻器的控制方法、装置以及测试平台，以解决相关技术无法快速切换到目标阻态导致耗时过长以及能耗过大且会减少忆阻器的寿命等问题。
7.本技术第一方面实施例提供一种多阻态忆阻器的控制方法，包括以下步骤：确定忆阻器的目标阻态；根据所述目标阻态计算所述忆阻器的目标电流，并根据所述目标阻态的阻态范围生成所述忆阻器的最佳调节策略；根据所述最佳调节策略和目标电流匹配所述忆阻器的目标栅端电压或目标复位电压脉冲宽度，并根据所述目标栅端电压或所述目标复位电压脉冲宽度调节所述忆阻器，直至所述忆阻器的实际阻态达到所述目标阻态。
8.可选地，在本技术的一个实施例中，所述根据所述目标阻态的阻态范围生成所述忆阻器的最佳调节策略，包括：在所述目标阻态处于预设低阻态范围时，所述最佳调节策略为调节所述忆阻器的栅端电压；在所述目标阻态处于预设高阻态范围时，所述最佳调节策略为调节所述忆阻器的复位电压脉冲宽度。
9.可选地，在本技术的一个实施例中，所述根据所述目标阻态计算所述忆阻器的目
标电流，包括：将所述目标阻态与预先计算的阻态-电流对应关系进行匹配，确定所述忆阻器的目标电流。
10.可选地，在本技术的一个实施例中，所述根据所述最佳调节策略和目标电流匹配所述忆阻器的目标栅端电压或目标复位电压脉冲宽度，包括：在所述最佳调节策略为调节所述忆阻器的栅端电压时，将所述目标电流与预先计算的电流-栅端电压对应关系进行匹配，确定所述目标电流对应的目标栅端电压；在所述最佳调节策略为调节所述忆阻器的复位电压脉冲宽度时，将所述目标电流与预先计算的电流-复位电压脉冲宽度对应关系进行匹配，确定所述目标电流对应的目标复位电压脉冲宽度。
11.本技术第二方面实施例提供一种多阻态忆阻器的控制装置，包括：确定模块，用于确定忆阻器的目标阻态；生成模块，用于根据所述目标阻态计算所述忆阻器的目标电流，并根据所述目标阻态的阻态范围生成所述忆阻器的最佳调节策略；匹配模块，用于根据所述最佳调节策略和目标电流匹配所述忆阻器的目标栅端电压或目标复位电压脉冲宽度，并根据所述目标栅端电压或所述目标复位电压脉冲宽度调节所述忆阻器，直至所述忆阻器的实际阻态达到所述目标阻态。
12.可选地，在本技术的一个实施例中，所述生成模块包括：第一调节单元，用于在所述目标阻态处于预设低阻态范围时，所述最佳调节策略为调节所述忆阻器的栅端电压；第二调节单元，用于在所述目标阻态处于预设高阻态范围时，所述最佳调节策略为调节所述忆阻器的复位电压脉冲宽度。
13.可选地，在本技术的一个实施例中，所述生成模块包括：计算单元，用于将所述目标阻态与预先计算的阻态-电流对应关系进行匹配，确定所述忆阻器的目标电流。
14.可选地，在本技术的一个实施例中，所述匹配模块包括：第一判断单元，用于在所述最佳调节策略为调节所述忆阻器的栅端电压时，将所述目标电流与预先计算的电流-栅端电压对应关系进行匹配，确定所述目标电流对应的目标栅端电压；第二判断单元，用于在所述最佳调节策略为调节所述忆阻器的复位电压脉冲宽度时，将所述目标电流与预先计算的电流-复位电压脉冲宽度对应关系进行匹配，确定所述目标电流对应的目标复位电压脉冲宽度。
15.本技术第三方面实施例提供一种测试平台，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以执行如上述实施例所述的多阻态忆阻器的控制方法。
16.由此，本技术实施例具有以下有益效果：
17.本技术实施例确定忆阻器的目标阻态；根据目标阻态计算忆阻器的目标电流，并根据目标阻态的阻态范围生成忆阻器的最佳调节策略；根据最佳调节策略和目标电流匹配忆阻器的目标栅端电压或目标复位电压脉冲宽度，并根据目标栅端电压或目标复位电压脉冲宽度调节忆阻器，直至忆阻器的实际阻态达到目标阻态，从而不仅能够稳定快速的达到不同的阻态，且在保证降低能耗的同时，提高了忆阻器的使用寿命。由此，解决了相关技术无法快速切换到目标阻态导致耗时过长以及能耗过大且会减少忆阻器的寿命等问题。
18.本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
19.本技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
20.图1为根据本技术实施例提供的一种多阻态忆阻器的控制方法的流程图；
21.图2为根据本技术的一个实施例提供的一种忆阻器三明治结构示意图；
22.图3为根据本技术的一个实施例提供的一种忆阻器存储单元1t1r结构示意图；
23.图4为根据本技术的一个实施例提供的一种忆阻器多比特状态示意图；
24.图5为根据本技术的一个实施例提供的一种忆阻器的set和reset的原理示意图；
25.图6为根据本技术的一个实施例提供的一种控制栅端电压的方式来实现忆阻器多个稳定的低阻态原理示意图；
26.图7为根据本技术的一个实施例提供的一种控制reset电压脉冲宽度的方式来实现忆阻器多个稳定高阻态原理示意图；
27.图8为根据本技术的一个实施例提供的一种忆阻器耐久性典型的测试图；
28.图9为根据本技术的一个实施例提供的一种多阻态忆阻器的控制方法的执行逻辑示意图；
29.图10为根据本技术实施例的多阻态忆阻器的控制装置的示例图；
30.图11为申请实施例提供的测试平台的结构示意图。
31.附图标记说明：确定模块-100、生成模块-200、匹配模块-300、存储器-1101、处理器-1102、通信接口-1103。
具体实施方式
32.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
33.下面参考附图描述本技术实施例的多阻态忆阻器的控制方法、装置以及测试平台。针对上述背景技术中提到的问题，本技术提供了一种多阻态忆阻器的控制方法，在该方法中，本技术实施例确定忆阻器的目标阻态；根据目标阻态计算忆阻器的目标电流，并根据目标阻态的阻态范围生成忆阻器的最佳调节策略；根据最佳调节策略和目标电流匹配忆阻器的目标栅端电压或目标复位电压脉冲宽度，并根据目标栅端电压或目标复位电压脉冲宽度调节忆阻器，直至忆阻器的实际阻态达到目标阻态，从而不仅能够稳定快速达到不同的阻态，且在保证降低能耗的同时，提高了忆阻器的使用寿命。由此，解决了相关技术无法快速切换到目标阻态导致耗时过长以及能耗过大且会减少忆阻器的寿命等问题。
34.具体而言，图1为本技术实施例所提供的一种多阻态忆阻器的控制方法的流程图。
35.如图1所示，该多阻态忆阻器的控制方法包括以下步骤：
36.在步骤s101中，确定忆阻器的目标阻态。
37.忆阻器最常见的结构为三明治(mim)结构，如图2所示。其中，上电极(top electrode，te)是由顶层金属氧化物构成，下电极(bottom electrode，be)是由底层金属氧化物构成，中间的阻变层是由电阻率可变的电介质薄膜材料构成。阻变层阻值状态的改变是通过施加在两金属氧化物层之间的不同电压来控制，忆阻器就是通过中间的阻变层高低
阻值状态的变化来完成信息的存储。
38.图3展示了忆阻器存储单元的常见结构1t1r(1-晶体管-1-忆阻器)，其是由晶体管与忆阻器串联在一起，其中将晶体管的栅极与字线(wordline，wl)连接在一起，将源极与源线(sourceline，sl)连接在一起，将漏极与忆阻器的一端连接，忆阻器的另一端与位线(bitline，bl)进行连接。wl上的电压能够控制晶体管是开通还是断开，起到一个选通的作用，使得能够精准的控制每一个存储单元。
39.为了提高忆阻器的存储密度，忆阻器不再满足于作为单比特的非易失型存储器件，目前忆阻器已经能够完成多比特的存储功能。多比特存储的原理就是不再将忆阻器的状态只是简单的分成高阻态(high resistance state，hrs)和低阻态(low resistance state，lrs)两个状态，而是将高阻和低阻整个阻态区间进行划分出若干个不同的状态，例如将原来的低阻态(lrs)区间划分成lrs1，lrs2等不同个低阻态，将原来的高阻态区间划分成hrs1，hrs2等不同个高阻态，此时多个不同的状态使得忆阻器成为多比特存储器件，图4展示了忆阻器的多比特状态示意图。
40.由此，本技术实施例通过确定忆阻器测试时的比特数后，将忆阻器的全部阻态区间进行划分，并选中一个作为目标阻态。
41.在步骤s102中，根据目标阻态计算忆阻器的目标电流，并根据目标阻态的阻态范围生成忆阻器的最佳调节策略。
42.通过上述操作确定目标阻态后，本技术的实施例根据目标阻态确定忆阻器对应的目标电流，同时根据目标阻态的阻态范围得到忆阻器的最佳调节策略。
43.可选地，在本技术的一个实施例中，根据目标阻态计算忆阻器的目标电流，包括：将目标阻态与预先计算的阻态-电流对应关系进行匹配，确定忆阻器的目标电流。
44.可以理解的是，忆阻器的存储机制就是在忆阻器的上下两个电极之间加不同方向或大小不同的电压使得器件呈现高阻和低阻不同阻态的一种工作机制。在忆阻器两电极之间加一个set操作电压时，电离出来的导电离子进入阻变材料层，形成电流流通路径，流过的电流会增大，因此形成了导电细丝(conductive filament，cf)，此时忆阻器的状态即为低阻态；在忆阻器两电极之间加一个reset操作电压时，此时的导电离子回到两电极之中，由于导电离子的缺失，此时导电细丝发生断裂，流过的电流会减小，此时忆阻器的状态即为高阻态，忆阻器的set和reset的原理如图5所示。
45.由此可知，阻态与电流之间存在对应关系，因此，本技术实施例便将目标阻态与预先计算的阻态-电流对应关系进行匹配，从而确定忆阻器的目标电流。
46.可选地，在本技术的一个实施例中，根据目标阻态的阻态范围生成忆阻器的最佳调节策略，包括：在目标阻态处于预设低阻态范围时，最佳调节策略为调节忆阻器的栅端电压；在目标阻态处于预设高阻态范围时，最佳调节策略为调节忆阻器的复位电压脉冲宽度。
47.具体地，在根据目标阻态计算出忆阻器的目标电流后，本技术实施例通过控制栅端电压的方式来实现忆阻器多个不同低阻态，通过改变栅端的电压来控制晶体管的导通程度进而可以改变流过忆阻器的最大电流值，不同的最大电流值会使相同set电压下得到的低阻态值不相同，电流值越大会使导电细丝的直径增大，因此可以得到很多不同的低阻态值。在reset的操作过程中高阻态的电流值仍然不会变化因此高阻态的电阻值基本不变。因此可以完成多个不同稳定的低阻态的操作，具体实现原理如图6所示。
48.其次，通过控制reset电压脉冲宽度的方式来实现忆阻器多个不同稳定高阻态，当reset电压脉冲宽度增大时，导电细丝与电极之间的间隙会越来越大并且导电细丝的尺寸也会逐渐减小，因此能够导致reset时高阻态流经忆阻器的电流下降。这样操作不会影响set时得到的低阻态电流，因此不会改变低阻态时的电阻。这样操作可以灵活的将高阻态区间划分成不同的稳定的高阻态，具体实现原理如图7所示，从而根据目标阻态的阻态范围确定了忆阻器的最佳调节策略。
49.在步骤s103中，根据最佳调节策略和目标电流匹配忆阻器的目标栅端电压或目标复位电压脉冲宽度，并根据目标栅端电压或目标复位电压脉冲宽度调节忆阻器，直至忆阻器的实际阻态达到目标阻态。
50.在根据目标阻态获取忆阻器的目标电流，并根据目标阻态的阻态范围生成忆阻器的最佳调节策略后，为使得忆阻器的实际阻态达到目标阻态，本技术实施例还需获进一步取忆阻器的目标栅端电压或目标复位电压脉冲宽度。
51.具体地，在本技术的一个实施例中，根据最佳调节策略和目标电流匹配忆阻器的目标栅端电压或目标复位电压脉冲宽度，包括：在最佳调节策略为调节忆阻器的栅端电压时，将目标电流与预先计算的电流-栅端电压对应关系进行匹配，确定目标电流对应的目标栅端电压；在最佳调节策略为调节忆阻器的复位电压脉冲宽度时，将目标电流与预先计算的电流-复位电压脉冲宽度对应关系进行匹配，确定目标电流对应的目标复位电压脉冲宽度。
52.进一步地，本技术实施例可以通过上述控制栅端电压并控制reset电压脉冲宽度的方式进行忆阻器的耐久性测试。其中，忆阻器的耐久性也可以称作可反复擦写的能力。通过上述set和reset的操作将忆阻器从低阻态到高阻态来回进行切换，直到无论如何进行set或reset操作时忆阻器的状态无法达到预定的阻态范围时，此时忆阻器发生了失效，记录下的set/reset转换的周期数就称之为忆阻器耐久性的次数，忆阻器耐久性测试原理如图8所示。
53.如图9所示，本实施例进行忆阻器的耐久性测试时，首先需要确定忆阻器测试时的比特数n，之后将忆阻器的全部阻态区间划分成2n-1个不同低阻态和2n-1个不同高阻态。通过控制栅端电压的策略可以确定每个不同低阻态的操作条件；通过控制reset电压脉冲宽度的策略可以确定每个不同的高阻态的操作条件。记录不同阻态对应的操作条件后进行耐久性的测试。选中一个目标阻态，通过该阻态的操作条件来达到预定目标阻态，若能够达到目标阻态则记录成功一次后重复测试操作，直到无法达到目标阻态后记录最终的测试次数后完成耐久性测试。
54.根据本技术实施例提出的多阻态忆阻器的控制方法，通过改变栅端电压的方式将低阻状态区间分成几个不同的低阻状态并用改变reset电压脉冲的方式将高阻状态区间分成几个不同的高阻态，充分合理的利用了整个阻态区间，使得每个组态之间不存在交叠，并记录达到这些阻态时的操作条件。之后的每次阻态更新时只需要使用对应的操作条件即可，节约了大量的时间也降低了能耗，提高了忆阻器多比特的耐久性。理论上只要高低阻态区间的越大，本技术实施例提出的多阻态忆阻器的控制方法越能稳定地分出不同阻态范围进而更快速稳定的提高忆阻器多比特的耐久性。
55.其次参照附图描述根据本技术实施例提出的多阻态忆阻器的控制装置。
architecture，简称为eisa)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图11中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
72.可选的，在具体实现上，如果存储器1101、处理器1102及通信接口1103，集成在一块芯片上实现，则存储器1101、处理器1102及通信接口1103可以通过内部接口完成相互间的通信。
73.处理器1102可能是一个中央处理器(central processing unit，简称为cpu)，或者是特定集成电路(application specific integrated circuit，简称为asic)，或者是被配置成实施本技术实施例的一个或多个集成电路。
74.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或n个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
75.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“n个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
76.流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更n个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本技术的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本技术的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
77.应当理解，本技术的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，n个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
78.本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

技术特征：

1.一种多阻态忆阻器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：确定忆阻器的目标阻态；根据所述目标阻态计算所述忆阻器的目标电流，并根据所述目标阻态的阻态范围生成所述忆阻器的最佳调节策略；根据所述最佳调节策略和目标电流匹配所述忆阻器的目标栅端电压或目标复位电压脉冲宽度，并根据所述目标栅端电压或所述目标复位电压脉冲宽度调节所述忆阻器，直至所述忆阻器的实际阻态达到所述目标阻态。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标阻态的阻态范围生成所述忆阻器的最佳调节策略，包括：在所述目标阻态处于预设低阻态范围时，所述最佳调节策略为调节所述忆阻器的栅端电压；在所述目标阻态处于预设高阻态范围时，所述最佳调节策略为调节所述忆阻器的复位电压脉冲宽度。3.根据所述权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标阻态计算所述忆阻器的目标电流，包括：将所述目标阻态与预先计算的阻态-电流对应关系进行匹配，确定所述忆阻器的目标电流。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述最佳调节策略和目标电流匹配所述忆阻器的目标栅端电压或目标复位电压脉冲宽度，包括：在所述最佳调节策略为调节所述忆阻器的栅端电压时，将所述目标电流与预先计算的电流-栅端电压对应关系进行匹配，确定所述目标电流对应的目标栅端电压；在所述最佳调节策略为调节所述忆阻器的复位电压脉冲宽度时，将所述目标电流与预先计算的电流-复位电压脉冲宽度对应关系进行匹配，确定所述目标电流对应的目标复位电压脉冲宽度。5.一种多阻态忆阻器的控制装置，其特征在于，包括：确定模块，用于确定忆阻器的目标阻态；生成模块，用于根据所述目标阻态计算所述忆阻器的目标电流，并根据所述目标阻态的阻态范围生成所述忆阻器的最佳调节策略；匹配模块，用于根据所述最佳调节策略和目标电流匹配所述忆阻器的目标栅端电压或目标复位电压脉冲宽度，并根据所述目标栅端电压或所述目标复位电压脉冲宽度调节所述忆阻器，直至所述忆阻器的实际阻态达到所述目标阻态。6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述生成模块包括：第一调节单元，用于在所述目标阻态处于预设低阻态范围时，所述最佳调节策略为调节所述忆阻器的栅端电压；第二调节单元，用于在所述目标阻态处于预设高阻态范围时，所述最佳调节策略为调节所述忆阻器的复位电压脉冲宽度。7.根据所述权利要求5所述的装置，其特征在于，所述生成模块包括：计算单元，用于将所述目标阻态与预先计算的阻态-电流对应关系进行匹配，确定所述忆阻器的目标电流。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述匹配模块包括：第一判断单元，用于在所述最佳调节策略为调节所述忆阻器的栅端电压时，将所述目标电流与预先计算的电流-栅端电压对应关系进行匹配，确定所述目标电流对应的目标栅端电压；第二判断单元，用于在所述最佳调节策略为调节所述忆阻器的复位电压脉冲宽度时，将所述目标电流与预先计算的电流-复位电压脉冲宽度对应关系进行匹配，确定所述目标电流对应的目标复位电压脉冲宽度。9.一种测试平台，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如权利要求1-4任一项所述的忆阻器多比特的生成方法。

技术总结

本申请公开了一种多阻态忆阻器的控制方法、装置以及测试平台，其中，方法包括：确定忆阻器的目标阻态；根据目标阻态计算忆阻器的目标电流，并根据目标阻态的阻态范围生成忆阻器的最佳调节策略；根据最佳调节策略和目标电流匹配忆阻器的目标栅端电压或目标复位电压脉冲宽度，并根据目标栅端电压或目标复位电压脉冲宽度调节忆阻器，直至忆阻器的实际阻态达到目标阻态，从而不仅能够稳定快速的达到不同的阻态，且在保证降低能耗的同时提高了忆阻器的使用寿命。由此，解决了相关技术无法快速切换到目标阻态导致耗时过长以及能耗过大且会减少忆阻器的寿命等问题。少忆阻器的寿命等问题。少忆阻器的寿命等问题。