CN114743578A - 基于铁电隧穿场效应晶体管FeTFET实现三态内容可寻址存储器TCAM的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于铁电隧穿场效应晶体管FeTFET实现三态内容可寻址存储器TCAM的方法，在单个FeTFET上实现了TCAM的完整功能。本发明利用隧穿场效应晶体管TFET独特的双极带带隧穿电流特性，将铁电材料叠加到栅介质层上，得到同时受栅极电压和铁电极化强度控制的双极性的沟道电导，突破了传统CAM的两路互补路径的电路拓扑结构。相较于基于传统静态随机存取存储器的TCAM以及目前报道的基于各种新兴的非易失性存储器的TCAM，本发明具有显著降低的单元面积以及更加简洁的编程与搜索操作过程，相应地带来更高的能效。本发明将TCAM的硬件代价降低到理论最低，具有十分广阔的应用空间。
Description
技术领域
本发明涉及新型存储与计算技术领域，具体涉及一种基于铁电隧穿场效应晶体管(FeTFET)的三态内容可寻址存储器(TCAM)单元设计。
背景技术
内容可寻址存储器(CAM)可以高效且并行地执行搜索操作，被广泛应用在路由器、数据库搜索、存内计算以及神经形态计算等高效机器学习模型中。CAM也被称为关联存储器，是一种用于高速搜索应用的特殊类型的存储器，而不仅是基于地址提供对数据的简单直接访问，其除了具有存储器的读操作和写操作之外，还可以执行独特的搜索操作。为了进一步提高存储密度，在CAM的基础上进一步发展了具有存储掩码“X”状态能力的TCAM，TCAM可以实现精确匹配或者模糊匹配，具有更加广泛的应用场景。CAM最初是用于加速网络路由器中的数据包转发和分类等相关的查表操作，由于CAM可以在一个时钟周期内完成整个搜索操作，相较于其他基于硬件或软件的搜索系统具有显著的加速效果，并且随着互联网协议版本4(IPv4)到互联网版本协议6(IPv6)以及更高版本的过渡会进一步凸显。
在大数据时代，由于CAM能够在存储器中实现高度并行的模式匹配和基于距离的相似度度量，在处理数据挖掘、视频与图像处理等新型计算中具有极大的吸引力。基于传统静态随机存取存储器(SRAM)的CAM设计占用巨大的单元面积，限制了其对于计算密集型算法映射的存储密度，并且由此带来的较大寄生电容还会进一步增大搜索延时与功耗。基于各种新兴的非易失性存储器(NVMs)，例如电阻式随机存取存储器(RRAM)、相变存储器(PCM)以及铁电场效应晶体管(FeFET)等，设计的CAM具有降低的单元面积以及搜索延时和能耗。
但是由于上述CAM的实现方式都是利用传统金属-氧化层-半导体场效应晶体管(MOSFET)作为控制搜索的逻辑晶体管，其单调的转移特性曲线导致了CAM设计都是基于两个互补分支路径的电路拓扑来存储entry的两个状态，进而实现搜索query与存储entry的类似“XNOR”的逻辑计算，不可避免地带来了硬件代价的提升。因此，实现更为紧凑并且操作简洁的TCAM电路设计，具有十分显著的意义。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于铁电隧穿场效应晶体管FeTFET实现三态内容可寻址存储器TCAM的方法，在一个FeTFET晶体管上实现了TCAM的完整功能。相较于基于传统SRAM的TCAM以及目前报道的基于NVMs的TCAM，本发明突破了其需要双分支互补路径电路拓扑的局限，具有更小的单元面积以及更加简洁的编程与搜索等操作过程，相应地可以带来更高的能效。
本发明的技术方案如下：
一种基于铁电隧穿场效应晶体管FeTFET实现三态内容可寻址存储器TCAM的方法，其特征在于，将铁电材料叠加到具有近似对称的双极带带隧穿(BTBT)电流的隧穿场效应晶体管TFET器件的栅极介质层上，得到FeTFET。铁电材料的不同极化状态将在TFET的栅氧化层上感应出不同的电荷，导致器件沟道电导与电流的变化，反映在FeTFET上即表现为器件阈值电压的变化。通过施加不同的写电压脉冲，将FeTFET编程为不同阈值电压状态，在器件的转移特性曲线上体现为沿栅极电压平移，漏极电流最小时对应的栅极电压称为VOFF。FeTFET的漏极、栅极、源极分别作为TCAM单元的ML端、BL/SL端和ScL端：ML端，用于检测搜索操作中query与entry是否匹配；BL/SL端，在写操作中需要施加电压脉冲对FeTFET进行编程或者擦除，以得到相应的存储entry状态；ScL端，在写操作中与BL配合施加相应的电位完成对FeTFET的编程或者擦除；在搜索操作中，SL端施加与query对应的电压VSL，检测ML端的电流IML或者预充后的电压VML的变化，如果IML低于参考阈值或者VML高于参考阈值，则表示匹配；反之，则表示不匹配，ScL端在搜索操作中接地。基于单管FeTFET的TCAM存储entry由不同的非易失性铁电极化状态表示，即不同的VOFF；搜索过程时，在栅极施加与搜索query相对应的电压VSL进行entry与query的匹配操作。对于二值CAM，由于TFET双极性BTBT电流特性，1位存储“0”或“1”的entry和query的存储器内“XNOR”逻辑运算可以由单个FeTFET实现。只有当搜索电压VSL等于存储状态对应的VOFF时，FeTFET处于截止状态，具有很低的漏极电流；如果采用预充电压后搜索的方式，则在搜索周期内，ML的电压VML保持相对较高的电位，表示entry与query匹配。反之，当搜索query与存储entry不匹配时，FeTFET处于导通状态，具有较高的漏极电流；如果采用预充电压后搜索的方式，ML的电压VML会很快下拉到低电位。对于TCAM，存储entry的“X”状态通过调节铁电极化强度使得VOFF介于状态“0”和“1”之间，因此在搜索“0”或“1”时，都具有较低的亚阈值电流，即存储“X”状态对任意搜索query都是匹配的。上述操作为实现一个TCAM单元的精确匹配操作，在TCAM阵列中，基于每一行TCAM的不匹配程度不同导致的不同放电速度实现最优匹配操作，可以用于汉明距离计算等应用。
本发明的TCAM单元电路使用的FeTFET中的TFET具有典型的BTBT双极特性，其中的铁电材料可以采用HfO2掺Zr(HZO)、HfO2掺Al(HfAlO)等各类HfO2掺杂型铁电材料的，也可以采用钙钛矿型铁电(PZT，BFO，SBT)、铁电聚合物(P(VDF-TrFE))等传统铁电材料；器件栅叠层可以基于MFMIS、MFIS、MFS等多种结构。本发明旨在提出一种利用可调双极特性晶体管实现单支路的TCAM，采用非铁电调制的其他方式调节TFET的阈值电压也在本发明的设计思想范围内。
本发明的技术效果如下：
1、本发明与目前已有的基于各种存储器件的CAM具有本质的差别，利用双极特性突破了必须有两个互补分支路径的电路拓扑才可以实现CAM功能的限制，使得设计CAM的硬件代价降低到了理论最低。
2、本发明由于电路结构简单，可以大幅度降低编程与搜索的复杂程度以及能耗，相较于基于传统SRAM以及其他NVMs的TCAM，每个单元都需要对至少两个存储元件编程，搜索时也需要对两个SL施加电压，具有十分显著的优势。
3、本发明由于TFET具有超陡亚阈值摆幅(SS)的潜在优势，使其可以在更低的电压下工作，可以进一步降低搜索能耗。
附图说明
图1为本发明基于FeTFET的TCAM阵列以及单元器件结构和电路示意图；
图2为本发明基于FeTFET的TCAM单元的功能实现原理示意图。
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。
本发明的基于铁电隧穿场效应晶体管FeTFET的TCAM阵列以及单元器件结构和电路示意图如图1所示，FeTFET的漏极、栅极、源极分别作为TCAM单元的ML端、SL端和ScL端，ML端，用于检测搜索操作中query与entry是否匹配，BL/SL端，在写操作中需要施加电压脉冲对FeTFET进行编程或者擦除，以得到相应的存储entry状态(“0”，“1”或“X”)；在搜索操作中施加与query对应的搜索电压(“0”或“1”)，完成搜索操作，ScL端，在写操作中与BL配合施加相应的电位完成对FeTFET的编程或者擦除，在搜索操作中接地即可，本发明通过在搜索过程中检测ML端的电流IML或者预充ML电压后检测ML端的电压VML来判断搜索query和存储entry是否匹配。如果在搜索的过程中，IML低于参考阈值或者VML高于参考阈值，则表示匹配；反之，则表示不匹配。
图2为本实施例的基于FeTFET的TCAM单元的功能实现原理图，从左至右分别为存储entry“0”、“1”和“X”的IML-VSL曲线图。通过施加不同的编程电压脉冲改变铁电极化状态，使得FeTFET的VOFF分别移到“VOFF0”和“VOFF1”，代表存储entry“0”和“1”，同时，对应搜索query“0”和“1”的搜索电压“Search_0”和“Search_1”；“X”则被编程为中间状态“VOFFX”。在搜索过程中，分别施加“Search_0”和“Search_1”的VSL来搜索“0”和“1”。对于entry“0”和“1”，当搜索电压与存储状态的VOFF一致时，FeTFET处于完全关断的状态，IML为TFET极低的关态电流；当搜索电压与存储状态的VOFF不匹配时，FeTFET处于导通状态，IML为TFET较大的开态电流。如果采用先对ML端预充电压后搜索的方式，则当搜索query与存储entry匹配时，ML会在整个搜索时间内保持高电平；当搜索query和存储entry不匹配时，ML则会很快下拉到低电平，根据放电时间的速度确定相应的参考阈值以及搜索时间。对于entry“X”,在搜索“0”或“1”时，FeTFET均处于亚阈值区状态，具有较小的亚阈值电流IML；如果采用预充电压后搜索的方式，则在任意搜索周期内ML仅有略微的电压下降，即对于任意搜索query都是匹配的。
本实施例完整、详细地阐述了基于单管FeTFET的TCAM的实现原理及方式，相较基于传统SRAM以及其他新兴NVMs的TCAM具有显著降低的硬件代价以及更加简洁的操作方式，将设计TCAM的硬件代价降低到了理论最低。
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)
1.一种基于铁电隧穿场效应晶体管FeTFET实现三态内容可寻址存储器TCAM的方法，其特征在于，利用非易失性铁电极化状态用于entry存储，FeTFET中的TFET具有典型的双极带带隧穿电流特性，TFET独特的双极电流用于query搜索，实现基于单个FeTFET的“XNOR”存储器内逻辑运算，其中FeTFET的漏极、栅极、源极分别作为TCAM单元的ML端、BL/SL端和ScL端：
ML端，用于检测搜索操作中query与entry是否匹配；
BL/SL端，在写操作中需要施加电压脉冲对FeTFET进行编程或者擦除，以得到相应的存储entry状态；
ScL端，在写操作中与BL配合施加相应的电位完成对FeTFET的编程或者擦除；
在搜索操作中，SL端施加与query对应的电压VSL，检测ML端的电流IML或者预充后的电压VML的变化，如果IML低于参考阈值或者VML高于参考阈值，则表示匹配；反之，则表示不匹配，ScL端在搜索操作中接地。
2.如权利要求1所述的基于铁电隧穿场效应晶体管FeTFET实现三态内容可寻址存储器TCAM的方法，其特征在于，FeTFET栅叠层中的铁电材料采用HfO2掺Zr、HfO2掺Al各类HfO2掺杂型铁电材料，或采用钙钛矿型铁电、铁电聚合物传统铁电材料。
3.如权利要求1所述的基于铁电隧穿场效应晶体管FeTFET实现三态内容可寻址存储器TCAM的方法，其特征在于，FeTFET中栅叠层是基于MFMIS、MFIS、MFS结构。
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