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基于磁信道的STT-MRAM和MLC NAND极化码硬件测试平台研究与仿真
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2024-10-24
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内容概要:本文主要探讨了基于磁信道的STT-MRAM(自旋转移矩磁性随机存取存储器)和MLC NAND闪存存储器极化码硬件测试平台的设计与仿真。首先阐述了这两种存储器的工作原理及其在极化码应用方面的发展现状与潜力。接着详细分析了STT-MRAM的BAC-GMC级联信道建模、MLC NAND闪存的编程噪声、单元间干扰等四种信道特征。随后,介绍了用于实现复杂数学函数运算如指数、对数的CORDIC算法,以及基于此算法设计的具体模块实现过程,并对这些模块进行了功能验证。最后,利用IBM SPSS验证了高斯白噪声生成(GNG)模块生成数据的标准高斯分布性质,确保了系统的可靠性和准确性。实验结果表明,设计的硬件平台能够有效地完成预期的功能。 适合人群:通信工程专业的科研人员,以及从事内存与存储设备研发工作的技术人员。 使用场景及目标:该文章适用于需要深入理解STT-MRAM和MLC NAND极化码特性的人群,特别是那些希望通过硬件加速技术改进现有内存解决方案的研发团队。其最终目的是为新一代高性能、低功耗存储系统的开发提供技术支持。 其他说明:该研究成果对未来STT-MRAM及MLC NAND的应用和发展提供了重要的理论依据和技术指导。虽然目前的设计已经在ModelSim平台上得到了验证,但未来的方向可能涉及更复杂的场景适应能力提升、精度优化等方面的工作。
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I
摘 要
基于信道极化的极化码是首个被证明可以达到香农容量的新型编码方
案。STT-MRAM 由于在可扩展性方面的卓越性能被认为是可取代 DRAM
的一种有前景的非易失性存储器技术。MLC NAND 是日常随处可见的闪存
存储器。本文首先介绍了 STT-MRAM 的级联信道并分析其对数似然比(log-
likelihood ratio,LLR),随后分析 MLC NAND 的初始阈值电压,从编程噪
声、单元间干扰、随机电报噪声、数据保持噪声四个方面模拟了 MLC NAND
的信道并分析该信道下的阈值电压分布。之后描述了 STT-MRAM 和 MLC
NAND 信道的硬件架构。为了能够在硬件上进行极化码的测试,通过基于
CORDIC 算法的 Verilog 编写的代码实现了乘法模块、除法模块、指数模块、
以及对数模块并对模块通过 Modelsim 验证。仿真表明 STT-MRAM 以及
MLC NAND 平台满足信道特征。
关键词:极化码;STT-MRAM;MLC NAND;CORDIC 算法
II
Abstract
Polar code based on channel polarization is the first coding scheme that
has been proven to achieve Shannon's capacity. STT-MRAM is considered as
a promising non-volatile memory technology that can replace DRAM due to
its superior performance in scalability. MLC NAND is a flash memory that is
ubiquitous everywhere. This paper first introduces the cascaded channel of
STT-MRAM and its log-likelihood ratio (LLR). Then this paper analyzes the
initial threshold voltage of MLC NAND, from programming noise, inter-cell
interference, random telegraph noise, data-preserving noise. Those models
simulate the channel of the MLC NAND and derive the threshold voltage
distribution under the channel. The hardware architecture of the STT-MRAM
and MLC NAND channels is presented later. In order to test the polar code on
the hardware, the multiplication module, the division module, the exponential
module, and the logarithmic module are implemented using Verilog based on
the CORDIC algorithm. Those modules are verified by Modelsim. The test
platform for STT-MRAM and MLC NAND meet the command of the
characters of their channels.
Keywords: Polar code, STT-MRA, MLC NAND, CORDIC algorithm
III
目 录
摘 要 ............................................................................................I
Abstract........................................................................................II
目 录.........................................................................................III
第 1 章 绪 论..............................................................................1
1.1 研究背景 .............................................1
1.2 研究内容 .............................................3
第 2 章 磁信道模型设计 .............................................................5
2.1 STT-MRAM 信道的设计 ..................................5
2.2 MLC NAND 信道的设计 .................................10
2.3 本章小结 ............................................16
第 3 章 硬件设计........................................................................18
3.1 磁信道的硬件设计 ....................................18
3.2 基于 CORDIC 算法的硬件设计 ...........................24
3.3 GNG 模块设计 ........................................35
3.4 本章小结 ............................................37
第 4 章 仿真结果........................................................................39
4.1 硬件的仿真测试 ......................................39
4.2 磁信道的仿真 ........................................46
4.3 本章小结 ............................................47
第 5 章 总结和展望 ...................................................................48
5.1 总结 ................................................48
5.2 展望 ................................................49
参考文献......................................................................................50
附录 1 外文原文.........................................................................55
Commented [z1]: 小二号宋体、加黑、居中,2 倍行距
段前段后 10 磅
1
第 1 章 绪 论
1.1 研究背景
20 世纪 40 年代前,为了提高通信的可靠性以及减少通信的错误率,
普遍采用的两种方式是增加发送端的功率以及多次反复发送数据。直至
1948 年,美国数学学家香农(Shannon)博士提出了香农定理,为信道
编码在提高通信的可靠性方面提供了理论基础,其本人也因此被称为现
代信息论的创始人。信道编码指的是在通信系统的发送端对数据添加与
数据有相关性冗余信息,再在通信系统的接收端利用相关性检测、纠正
信息传送过程中的错误,从而提高信息传输的可靠性。然而,香农博士
没有明确给出具体的信息编码实现方案。历史上,第一个被认为实用的
信道编码方案是 1949 年由 R.Hamming 以及 M.Golay 提出的,也就是后
来被称为汉明码的信道编码方案。随后为了提高通信系统的可靠性以及
寻找更加逼近香农极限的信道编码方案,Golay 码、卷积码、Turbo 码、
LDPC 码、Polar 码等编码方案被相继提出。其中,由土耳其 Arikan 教授
在 2008 年提出的基于信道极化的极化码,相较其他编码方案如 Turbo 码、
LDPC 码,更加接近信道容量。但是,由于极化码的出现较晚,很多研
究建立在理论的基础上,因此其实际应用还有待验证。目前,极化码在
译码算法、速率和硬件实现方面已经做了很多研发工作。在 2016 年召
开的 3GPP RAN1 会议关于 5G 编码选择问题上,华为公司提出的使用极
化码(Polar code)编码方案战胜了高通公司的编码方案被采纳为广播和
控制信道编码方案。
存储器是手机、电脑等电子产品必不可少的元器件之一,是储存操
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