CN114758695B - 基于铁电隧穿场效应晶体管FeTFET实现多值内容可寻址存储器MCAM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实现多值内容可寻址存储器MCAM的方法，在单个FeTFET上实现了MCAM的完整功能。本发明利用隧穿场效应晶体管FeTFET的隧穿电流特性，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，利用铁电多级极化状态实现多值存储，结合TFET的双极特性，在不需要额外增加晶体管或者其他外围电路的条件下便可以实现MCAM。相较于目前报道的基于各种新兴的非易失性存储器的MCAM，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MCAM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)的多值内容可寻址存储器(MCAM)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。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。为了进一步提高存储密度，在CAM的基础上进一步发展了可以存储更多状态的MCAM以及存储entry为一个模拟范围的模拟内容可寻址存储器(ACAM)。
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。利用新兴的非易失性存储器(NVMs)的多值存储能力，例如电阻式随机存取存储器(RRAM)、铁电场效应晶体管(FeFET)等，设计的MCAM/ACAM具有更高的存储密度，以及更小的单元面积和更低的搜索延时和能耗。但是这些MCAM/ACAM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，并且需要额外的晶体管或者在实现CAM设计的基础上附加外围电路，相应的编程以及搜索方式也更加的复杂。结合上述分析，实现更为紧凑并且操作简洁的MCAM以及ACAM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FeTFET实现了MCAM功能的方法。相较于目前报道的基于各种新兴NVMs的MCAM设计，本发明不仅突破了其需要双分支互补路径电路拓扑的局限，并且由于巧妙利用器件的特性，在不需要额外硬件代价下便可以实现MCAM，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。
本发明的目的在于提出一种基于铁电隧穿场效应晶体管FeTFET实现多值内容可寻址存储器MCAM的方法，其特征在于，基于铁电多畴理论，通过施加适当的脉冲方案，可以使得铁电层的极化以及FeTFET的阈值电压连续变化，进而可以得到连续变化的VOFF，代表MCAM的多值存储entry。FeTFET的漏极、栅极、源极分别作为MCAM单元的ML端、SL端和ScL端，其中，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，利用铁电多级极化状态得到相应的多级存储entry状态；在搜索操作中施加与query对应的多级搜索电压VSL，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。通过检测搜索时ML端的电流IML或者预充后的电压VML来判断搜索query和存储entry是否匹配，即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。在进行搜索时，施加与query相对应的VSL，只有当搜索query与存储entry匹配时，即VSL等于VOFF，由于TFET具有极低的关态泄漏电流，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。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。因为TFET具有超陡亚阈摆幅(SS)的特点，使得在相同条件下可以具有更多的entry存储状态。此外，利用TFET的双极特性，通过设置一定的参考电流阈值，可以实现ACAM的基本功能，即参考电流阈值对应的两个栅极电压为存储entry的模拟范围，因此本发明同时具有实现基于单管FeTFET的ACAM的潜在优势。根据搜索query与存储entry的不匹配程度不同，具有不同大小的IML或者不同的放电速度，可以用来计算相关距离度量函数。
本发明实现MCAM单元设计方案所使用的FeTFET中的TFET具有典型的BTBT双极特性，其中的铁电材料需要采用HfO2掺Zr(HZO)、HfO2掺Al(HfAlO)等各类HfO2掺杂型多畴铁电材料，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阈值的具有双极特性的TFET，在不需要额外硬件开销下实现单支路的MCAM，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、本发明提出基于单管FeTFET实现MCAM单元的方法，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，相较于其他基于NVMs的MCAM，需要通过额外的硬件代价对每个单元至少两个存储元件进行编程，搜索时也需要对两个SL施加不同的电压，具有十分显著的优势，使得设计MCAM的硬件代价降低到了理论最低
2、本发明通过改变操作方式，还可以实现ACAM的功能，具有更加广泛的应用场景。
3、本发明由于TFET具有超陡亚阈值摆幅(SS)的潜在优势，不仅使其可以在更低的电压下工作，可以进一步降低搜索能耗；而且使得在相同条件下可以具有更多的entry存储状态，进一步提高存储密度。
附图说明
图1为本发明基于FeTFET的MCAM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MCAM单元的功能实现原理示意图；
图3为本发明基于FeTFET的实现ACAM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。
本发明基于铁电隧穿场效应晶体管FeTFET实现MCAM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MCAM单元的ML端、SL端和ScL端，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为本发明基于FeTFET的2-bit MCAM单元的功能实现原理图，利用铁电多畴理论，通过施加不同的编程电压脉冲改变铁电极化状态，将FeTFET的VOFF编程到四个状态分别代表存储entry“00”、“01”、“10”和“11”，每个状态的VOFF为对应的搜索电压VSL。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。并且基于MCAM不匹配程度决定的不同放电速度，可以在CAM计算汉明距离的基础之上进一步计算曼哈顿距离等距离函数。参考图3，TFET具有超陡亚阈摆幅(SS)的特点，使得在相同条件下可以具有更多的entry存储状态，通过设置一定的参考电流阈值，实现ACAM的基本功能，即参考电流阈值对应的两个栅极电压为存储entry的模拟范围。并且从图3中可以看出，具有更陡SS的器件可以实现更小存储entry范围的ACAM以及可以实现具有更多存储entry状态的MCAM。
本实施例完整、详细地阐述了基于单管FeTFET的MCAM的实现原理及方式，并且操作方式更为得简单，相较于目前已有的通过增加晶体管或者其他外围电路的MCAM实现方式不需要额外的硬件开销，将实现MCAM的硬件代价降低到理论最低。
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实现多值内容可寻址存储器MCAM的方法，其特征在于，基于铁电多畴理论实现铁电多级极化的连续调制用于MCAM的多值entry存储，FeTFET中的TFET具有双极带带隧穿电流特性，利用隧穿场效应晶体管TFET双极电流用于多级query搜索，从而实现基于单个FeTFET的MCAM，并且通过设置一定的参考电流阈值对应存储entry的范围，实现模拟内容可寻址存储器的基本功能，其中：
FeTFET晶体管的漏极为MCAM的ML端，用于检测搜索操作中与entry是否匹配；
FeTFET晶体管的栅极为MCAM的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，以得到相应的多值存储entry状态，在搜索操作中施加与query对应的搜索电压，完成搜索操作；
FeTFET晶体管的源极为MCAM的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；
搜索过程时，在栅极施加与搜索query相对应的电压VSL进行query与entry的匹配操作，只有当搜索电压与多值存储entry匹配时，FeTFET才处于截止状态，ML端具有极低的关态泄漏电流，表示匹配。
2.如权利要求1所述的基于铁电隧穿场效应晶体管FeTFET实现多值内容可寻址存储器MCAM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。
3.如权利要求1所述的基于铁电隧穿场效应晶体管FeTFET实现多值内容可寻址存储器MCAM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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