EP4616400A1 - Schaltkreis für einen cam - Google Patents

Schaltkreis für einen cam

Info

Publication number
EP4616400A1
EP4616400A1 EP24731538.5A EP24731538A EP4616400A1 EP 4616400 A1 EP4616400 A1 EP 4616400A1 EP 24731538 A EP24731538 A EP 24731538A EP 4616400 A1 EP4616400 A1 EP 4616400A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
circuit
voltage
cam
circuit according
output
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24731538.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Paul-Philipp Manea
John Paul Strachan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP4616400A1 publication Critical patent/EP4616400A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/54—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using elements simulating biological cells, e.g. neuron
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
    • G11C13/0002—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using resistive RAM [RRAM] elements
    • G11C13/0021—Auxiliary circuits
    • G11C13/004—Reading or sensing circuits or methods
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C15/00—Digital stores in which information comprising one or more characteristic parts is written into the store and in which information is read-out by searching for one or more of these characteristic parts, i.e. associative or content-addressed stores
    • G11C15/04—Digital stores in which information comprising one or more characteristic parts is written into the store and in which information is read-out by searching for one or more of these characteristic parts, i.e. associative or content-addressed stores using semiconductor elements
    • G11C15/046—Digital stores in which information comprising one or more characteristic parts is written into the store and in which information is read-out by searching for one or more of these characteristic parts, i.e. associative or content-addressed stores using semiconductor elements using non-volatile storage elements
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C27/00—Electric analogue stores, e.g. for storing instantaneous values
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
    • G11C13/0002—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using resistive RAM [RRAM] elements
    • G11C13/0021—Auxiliary circuits
    • G11C13/004—Reading or sensing circuits or methods
    • G11C2013/0045—Read using current through the cell

Definitions

  • the invention relates to a circuit for a CAM, in particular an analog content addressable memory (aCAM).
  • aCAM analog content addressable memory
  • CAM is an acronym for "Content-Addressable Memory”. Unlike traditional types of memory such as RAM (Random Access Memory), where data is accessed via the memory address, a CAM allows data to be accessed based on its content. This means that one can search for specific data in a CAM without knowing the exact memory address. This is often referred to as "associative memory”. It is possible to apply an input signal to a CAM. The input signal can be a voltage applied to the CAM and thus an analog signal. The CAM can then output whether the input signal is stored or not. This can be done, for example, by outputting a "0" or a "1", i.e. by outputting a digital value. For example, a CAM can output the value "0" if the entered memory value is not stored in the associative memory. A CAM can output the value "1" if the entered memory value is stored in the CAM.
  • An “analog CAM” (aCAM) is known from the publications “Can Li et al. “Analog content-addressable memories with memristors”. In: Nature Communications 11.1 (Apr. 2020). DOI: 10.1038/s41467-020-15254- 4" and “Jinane Bazzi et al. Efficient Analog CAM Design. 2022. DOI: 10.48550/ARXIV.2203.02500. URL: https://arxiv.org/abs/2203.02500” in which input signals and stored data cannot be binary numbers but continuous analog values. This aCAM outputs a "1" if an input signal matches stored data. Otherwise, a "0" is output.
  • a “differentiable analog CAM” (dCAM) is known from the paper “Giacomo Pedretti et al. “Differentiable Content Addressable Memory with Memristors”, Advanced Electronic Materials 8.8 (Mar. 2022), p. 2101198. DOI: 10.1002/aelm” that can also output values between 0 and 1 to find partial matches and enable traceability within an aCAM system.
  • a CAM can include a CMOS inverter.
  • CMOS is a term for semiconductor devices that use both p-channel and n-channel MOSFETs on a common substrate.
  • a CMOS inverter is an electronic component that can convert one signal format into another signal format.
  • CMOS inverters that can convert an input voltage into another output voltage and amplify it in this sense.
  • a CMOS inverter can convert a low input voltage into a higher output voltage, i.e. multiply it by a factor.
  • the aim of the present invention is to be able to provide a circuit for a CAM that can improve the flexibility of a CAM.
  • the circuit should be able to be used to create a CAM that can have the properties of an aCAM and a dCAM.
  • Such a CAM can, for example, optionally output binary values or analog values in response to an applied analog input signal.
  • Analog values can indicate a measure of a distance or a degree of agreement.
  • a distance can express how far an applied input signal is from a value stored in the CAM or how closely an applied input signal matches a stored value.
  • the CAM can then, for example, optionally output the values "0" and "1", but also values that are between "0" and "1", such as the value "0.6" or "0.5".
  • the circuit can include a CMOS inverter.
  • the circuit can include a resistor.
  • the resistor can be arranged in such a way that the output signal of the circuit no longer changes abruptly depending on an input signal as with the usual CMOS inverter and in this sense can only output a "0" or "1" at its output. Instead, the output signal can change gradually as soon as the input signal has exceeded a threshold value. This can be achieved by electrically connecting the input of the CMOS inverter to the output of the CMOS inverter via the resistor.
  • the circuit can also be such that the resistance can be changed.
  • the resistance can be changed, for example, by switching the resistance back and forth between an initial value and a very high-resistance final value.
  • the resistance can be changed, for example, by a switch that can be opened and closed.
  • the high-resistance final value can be such that the CMOS inverter behaves like a usual CMOS inverter.
  • the switch can be such that the CMOS inverter behaves like a usual CMOS inverter when the switch is open.
  • the output value can be such that the CMOS inverter behaves as described above.
  • the initial value can be, for example, at least 1 MQ (megaohm) or at least 50 MQ or at least 100 MQ or at least 200 MQ.
  • the initial value can be, for example, less than 500 MQ or less than 300 MQ.
  • the final value can be, for example, at least 1 GQ (gigaohm) or at least 50 GQ or at least 100 GQ.
  • the circuit may thus include a CMOS inverter with a resistive feedback path to change the conversion of an input signal to an output signal. For example, a gain can be reduced by the CMOS inverter.
  • the circuit makes it possible to create a CAM with greater flexibility.
  • the circuit can support both high-resolution analog CAMs (aCAM) with sharp selection and differentiable CAMs (dCAM) with flat selection function margins for improved intra-cell distance metrics for gradient descent.
  • Amplification by the CMOS inverter also depends on the potentials V ss and Vdd applied to the CMOS inverter.
  • the voltage applied to the CMOS inverter as the difference between the potentials V ss and Vdd can determine how much the circuit can amplify an input signal.
  • the potential V ss can be permanently 0 volts.
  • the potential Vdd can be permanently 1 volt.
  • an input signal can only be output as an output signal in inverted form. If the input signal is 0 volts, 1 volt can be output as an output signal. If the input signal is 1 volt, 0 volt can be output as an output signal. The gain can be modulated around the value 0.5 volts. If the input signal is 0.5 volts, 0.5 volts can be output as an output signal. The input signal may be 0.4 volts in order to output 0.6 volts. The input signal may be 0.3 volts in order to output 0.7 volts.
  • This modulation can, however, be limited to the range around a specific value, such as 0.5 volts.
  • An input voltage of 0.2 volts may therefore be too low to produce an output signal of less than 1 volt. It is therefore possible that an input voltage of 0.2 volts results in an output voltage of 1 volt.
  • the modulation depends on the size of the resistor. The larger the resistor, the less abruptly an output signal can change from "0" to "1". If the resistor has a very high resistance, the circuit behaves like a conventional CMOS inverter that can abruptly convert an input voltage into another output voltage.
  • the input of the CMOS inverter can be electrically connected to a memristor.
  • the memristor can be designed to store information.
  • the circuit can therefore be set up and operated in such a way that a voltage can be applied to the memristor, which can be used to adjust the conductance of the memristor. Such a voltage is also called a write voltage. It is then possible to program the memristor. For example, the memristor can be programmed using a digital signal, which can be converted into an analog voltage by a digital-analog converter.
  • the conductance of the memristor can be programmed using the analog, converted voltage.
  • the circuit can be set up and operated in such a way that a voltage can be applied to the memristor, by means of which the conductance of the memristor can be read.
  • a voltage is also called a read voltage.
  • the input of the CMOS inverter can be electrically connected to a transistor.
  • the transistor can serve as a voltage divider, for example to be able to read a conductance of the memristor.
  • the transistor can be part of a voltage divider.
  • the memristor can be electrically connected in series with the transistor.
  • the transistor can be an NMOS transistor.
  • variable resistor can be interrupted by a switch in order to change the electrical resistance.
  • the switch can be a transistor. Such a change can create a circuit that can be operated both like an analog CAM and like a digital CAM.
  • the variable resistor can be set up so that it can be switched back and forth between a very high-impedance conductance and a comparatively low-impedance conductance. In this way, a circuit can be created that can be operated both like an analog CAM and like a digital CAM.
  • the high-impedance conductance can be more than 1 GQ.
  • the low-impedance conductance can be less than 500 MQ.
  • the circuit can be part of a CAM.
  • a CAM comprises at least one circuit as described above.
  • a CAM can comprise two circuits as described above. There can be exactly two such circuits. Three or more such circuits are then excluded.
  • Each Circuit may include an identical layout to minimize the engineering effort required for manufacturing.
  • the cam may comprise two sections, each section comprising a circuit as previously described. Each section may have its own input for an input voltage. Each section may have its own output for an output voltage.
  • the input of one section can be connected to the input of the other section via an inverter.
  • the outputs of the two sections can be connected to a shared line.
  • the shared line can be used to indicate a hit. This means that an analog voltage corresponding to a signal "0” or a signal “1” can be output via the shared line. A voltage corresponding to a signal between "0" and “1” can also be output.
  • a CAM according to the invention can be part of a neural network in order to be able to train the neural network. Using the CAM according to the invention, information can be obtained on how well a neural network is working.
  • the properties and behavior of a neural network should resemble the properties and behavior of a biological neural network.
  • a neural network should be able to recognize patterns using learning algorithms.
  • a neural network should not have to start from scratch for every task or problem, similar to the human brain. It should have the option of drawing on previously acquired knowledge and experiences.
  • a neural network with memristors is known from the publication CN 208922326 U.
  • a circuit serving as a synapse of a neural network made of semiconductor materials with an electrically charged carrier gas is described in the publication EP 0 529 565 B1.
  • An integrated circuit for providing a synapse is known from the publication US 2019164597 A1.
  • a neural network can be implemented using conventional CMOS technology with a large number of transistors.
  • a neural network can comprise ferroelectric field effect transistors (FeFET).
  • FeFET ferroelectric field effect transistors
  • the circuit according to the invention can be part of one of these neural networks. The invention is explained in more detail below with reference to figures. They show:
  • Figure 1 Circuit with a CMOS inverter and a variable resistor
  • FIG. 1 CMOS inverter
  • Figure 3 Design of the circuit from Figure 1;
  • Figure 6 further implementation of a variable resistor
  • Figure 10 Current-voltage characteristic curve of the CAM from Figure 9;
  • FIG. 11 analog CAM
  • Figure 12 analog and digital CAM
  • Figure 13 Current-voltage characteristic of the CAM from Figure 12.
  • Figure 1 shows a circuit 1 with a CMOS inverter with an input j n and an output V ou t.
  • the CMOS inverter comprises, as shown by circuit symbols in Figure 1, a p-channel MOSFET and an n-channel MOSFET.
  • a potential Vss can be applied to the drain connection D of the n-channel MOSFET of the CMOS inverter.
  • a potential Vdd can be applied to the drain connection D of the p-channel MOSFET of the CMOS inverter.
  • the maximum possible gain through the CMOS inverter is determined by the potential difference between the potentials Vss and Vdd.
  • variable resistor Rfb which connects the input Vj n of the CMOS inverter to the output V ou t of the CMOS inverter.
  • the gate connections of the two MOSFETs are marked with G in Figure 1.
  • the source connections of the two MOSFETs are marked with S in Figure 1.
  • a conductance can be set on the memristor 3.
  • Transistor 2 and memristor 3 can be connected in series, as shown in Figure 3.
  • the memristor 3 can be connected to the drain connection of the transistor 2, as shown in Figure 3.
  • the applied voltage VDL can be selected such that after the voltage DL is applied, a reading voltage is applied to the transistor 2.
  • the reading voltage can be less than 0.7 V.
  • the memristor 3 then acts like a fixed resistor. The voltage that is thus applied to the input Vj n of circuit 1 depends on the conductance of the memristor 3.
  • a measurement can therefore be output as information that can be viewed as lying between "0" and "1" and can therefore be regarded as analog information. It is therefore possible to use this circuit to create a CAM that can work like an aCAM as well as a dCAM.
  • Figure 4 shows the behavior of the voltage at the output V ou t as a function of the voltage applied to the input VDL. If the resistance Rfb is very high-impedance, then the voltage output at the output V ou t jumps from a minimum voltage value according to curve 4 to a maximum voltage value and thus an output of purely digital information as soon as the voltage applied to the input VDL exceeds a limit value VoL_bound. If the resistance Rfb is not very high-impedance, then medium voltage values according to curve 5 are possible and thus an output of analog information at the output Vout of the CMOS inverter.
  • Figure 5 shows an implementation of a variable resistor Rfb that can be changed.
  • the variable resistor Rfb comprises an ohmic resistor 6 that can have a conductance of several 100 MQ. With the help of a transistor 7, the flow of current through the ohmic resistor 6 can be enabled or interrupted. It can thus be switched between two different states.
  • Figure 6 shows another implementation of a variable resistor. It is a circuit for implementing a controllable, high-resistance MOS impedance. The functionality of this high-resistance CMOS circuit is explained in more detail in the publication “Armin Tajalli, Yusuf Leblebici, and Elizabeth Brauer.
  • FIG. 7 shows the circuit used for the computer simulation.
  • the ohmic resistance R1 simulates the memristor 3.
  • the ohmic resistance R2 simulates the variable resistance Rfb.
  • Figure 8 shows the result of the computer simulation.
  • Two different values for R1 were simulated for the conductance of the memristor 3. The simulation showed that a change in the conductance of the memristor 3 shifts the family of curves along the Vdl axis and from approx. 0.6 V to approx. 0.8 V.
  • the limit value VDL-bound can be set, which determines when a jump from the information "0" to the information "1" is possible.
  • the conductance of the memristor 3 shown in Figure 3 can be changed as follows. First, a high voltage can be applied to the VSL+AE terminal of the memristor, which is chosen to be high enough to reset the memristor. After resetting the memristor 3, a voltage can be applied to the VSL+OE terminal of transistor 2 that is high enough to be able to write to the memristor using a voltage applied to the VDL terminal.
  • the memristor 3 can be used to store information.
  • the conductance of the memristor 3 can be programmed. A programmed conductance of the memristor 3 encodes a voltage and thereby stores information. With the help of a circuit according to the invention, it can be checked whether an applied voltage VDL corresponds to the encoded voltage.
  • Figure 10 of this publication shows an example of a result depending on an applied input voltage VDL.
  • a match and thus a "1" is output when the current IML jumps from the value 0.34 pA to the value 0 pA.
  • What is disadvantageous for determining the range is that the falling edge deviates significantly from a vertical. It can therefore be difficult to clearly distinguish between a match and a lack of match. This has a disadvantageous effect on the storage density. The lack of symmetry between the rising and falling edges is also disadvantageous.
  • the publication "Jinane Bazzi et al. Efficient Analog CAM Design. 2022. DOI: 10.48550/ARXIV.2203.02500.
  • Figure 11 shows a circuit with a further improved current-voltage characteristic.
  • This circuit is an aCam and is an independent invention.
  • the circuit comprises two memristors 8 and 9, two CMOS inverters 10 and 11 and four further transistors 12,13, 14,15.
  • the circuit therefore comprises two memristors and 8 transistors.
  • Section 17 of the circuit comprises the memristor 8, the CMOS inverter 10 and the two transistors 12 and 13.
  • This section 17 is identical to section 18, which comprises the memristor 9, the CMOS inverter 11 and the two transistors 14 and 15.
  • the circuit is further such that a voltage VDL LB can be applied to section 17 as an input signal and a voltage VDL HB to section 18.
  • the circuit may comprise an inverter 16 which inverts an applied input voltage VDL.
  • a voltage VDL which is identical to the voltage DL LB can thus be applied to the first section 17.
  • An inverted voltage V DL which is identical to the voltage VDL HB can be output to the second section 18 by the inverter 16.
  • the inversion ensures that the second section 18 refers to the rising edge.
  • the first section 17 refers to the falling edge.
  • this is expressed by the designations VDL LB and VDL HB, where "LB” denotes a "low bound” and HB an upper limit ("high bound”).
  • the inversion also means that sections 17 and 18 can be identical. This not only simplifies the layout, but also ensures that the rising and falling edges are symmetrical.
  • the inverter 16 may comprise a digital inverter.
  • the inverter 16 may comprise an analog-to-digital converter that digitizes a voltage VDL.
  • the digital signal may be inverted by the digital inverter.
  • the inverted digital signal is then converted into an analog voltage by a digital-to-analog converter.
  • the inverter 16 may be an analog inverter, such as an operational amplifier.
  • a voltage VDL LB can be applied to the first section 17 and a suitably inverted voltage VDL HB to the second section 18.
  • a voltage VDL LB can be applied to the first section 17 using a digital signal.
  • the digital signal can be used to control an analog-digital converter so that the analog-digital converter applies the voltage VDL LB to the first section 17.
  • a voltage VDL HB can be applied to the second section 18 using a digital signal.
  • the digital signal can be used to control an analog-digital converter so that the analog-digital converter applies the voltage VDL HB to the second section 18. It can be achieved that the voltage VDL HB SO is inverted compared to the voltage VDL LB, that the first section 17 refers to the falling edge and the second section 18 to the rising edge.
  • the conductance of the first memristor 8 therefore defines a lower limit for a stored area.
  • the conductance of the second memristor 9 defines an upper limit for a stored area.
  • the circuit can comprise a conductor track ML (“match line”), via which the results of sections 17 and 18 can be output. Potentials VSL+OE and VSL+AE can be applied to sections 17 and 18 together through corresponding conductor tracks for operation.
  • the circuit shown in Figure 11 is not a CAM that can be operated not only like an aCAM, but also like a dCAM. To achieve this, the circuit shown in Figure 1 can be integrated into the circuit shown in Figure 11, for example. A circuit created in this way is shown in Figure 12.
  • Figure 13 shows current-voltage characteristics that can be achieved with the circuit shown in Figure 12, depending on the resistance Rfß. It can be seen that symmetrical current-voltage characteristics can be obtained. The falling edge is symmetrical to the rising edge. With such current-voltage characteristics, the behavior of a dCAM can be achieved. If the resistance Rfß is sufficiently large, the circuit shown in Figure 12 behaves like the circuit shown in Figure 11, i.e. like an aCAM.
  • variable resistor RFB may be 800 ⁇ to enable the CAM to operate like an analog CAM.
  • variable resistor RFB may be 10 G ⁇ or more to enable the CAM to operate like a digital CAM.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Neurology (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schaltkreis mit einem CMOS Inverter und einem änderbaren Widerstand (Rfb), wobei der änderbare Widerstand (Rfb) den Eingang (Vin) des CMOS Inverters mit dem Ausgang (Vout) des CMOS Inverters elektrisch verbindet. Die Erfindung betrifft außerdem einen Cam mit einem solchen Schaltkreis. Es kann dadurch ein Schaltkreis realisiert werden, der sowohl wie eine analoge Cam als auch wie eine digitale Cam arbeiten kann.

Description

Schaltkreis für einen CAM
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Schaltkreis für einen CAM und zwar insbesondere einen analogen Content Adressable Memory (aCAM).
CAM ist eine Abkürzung für "Content-Addressable Memory" (Inhaltsadressierbarer Speicher). Im Gegensatz zu herkömmlichen Speicherarten wie RAM (Random Access Memory), bei denen der Zugriff auf Daten über die Speicheradresse erfolgt, ermöglicht ein CAM den Zugriff auf Daten basierend auf ihrem Inhalt. Das bedeutet, dass man in einem CAM nach bestimmten Daten suchen kann, ohne die genaue Speicheradresse zu kennen. Dies wird oft als "Assoziativspeicher" bezeichnet. Es ist möglich, ein Eingangssignal an einen CAM anzulegen. Das Eingangssignal kann eine an den CAM angelegte Spannung und damit ein analoges Signal sein. Der CAM kann dann ausgeben, ob das Eingangssignal gespeichert ist oder nicht. Dies kann beispielsweise durch Ausgabe einer „0“ oder einer „1“, also durch Ausgabe eines digitalen Wertes, geschehen. Ein CAM kann also beispielsweise den Wert „0“ ausgeben, wenn der eingegebene Speicherwert im Assoziativspeicher nicht gespeichert ist. Ein CAM kann den Wert „1“ ausgeben, wenn der eingegebene Speicherwert im CAM gespeichert ist.
Es sind aus den Druckschrift en „Can Li et al. “Analog content-addressable memories with memristors”. In: Nature Communications 11.1 (Apr. 2020). DOI: 10.1038/s41467-020-15254- 4“ sowie „Jinane Bazzi et al. Efficient Analog CAM Design. 2022. DOI: 10.48550/ARXIV.2203.02500. URL: https://arxiv.org/abs/2203.02500“ jeweils eine "analoge CAM" (aCAM) bekannt, bei der Eingangssignale und gespeicherte Daten keine Binärzahlen, sondern kontinuierliche Analogwerte sein können. Von dieser aCAM wird eine "1 " ausgegeben, wenn ein Eingangssignal mit gespeicherten Daten übereinstimmt. Andernfalls wird eine "0" ausgegeben.
Es ist aus der Druckschrift „Giacomo Pedretti et al. “Differentiable Content Addressable Memory with Memristors”, Advanced Electronic Materials 8.8 (Mar. 2022), p. 2101198. DOI: 10.1002/aelm“ ein "differenzierbarer analoger CAM" (dCAM) bekannt, der auch Werte zwischen 0 und 1 ausgeben kann, um partielle Übereinstimmungen zu finden und eine Rückverfolgung innerhalb eines aCAM-Systems zu ermöglichen. Ein CAM kann einen CMOS-Inverter umfassen. CMOS ist eine Bezeichnung für Halbleiterbauelemente, bei denen sowohl p-Kanal- als auch n-Kanal-MOSFETs auf einem gemeinsamen Substrat verwendet werden. Ein CMOS-Inverter ist ein elektronisches Bauteil, das ein Signalformat in ein anderes Signalformat konvertieren kann. Es gibt CMOS-Inverter, die eine Eingangsspannung in eine andere Ausgangsspannung umwandeln und in diesem Sinne verstärken können. Zum Beispiel kann ein solcher CMOS-Inverter eine niedrige Eingangsspannung in eine höhere Ausgangsspannung umwandeln, also mit einem Faktor multiplizieren.
Mit der vorliegenden Erfindung wird das Ziel verfolgt, einen Schaltkreis für einen CAM bereitstellen zu können, der die Flexibilität eines CAMs verbessern kann. Insbesondere soll mithilfe des Schaltkreises ein CAM geschaffen werden können, der die Eigenschaften eines aCAMs und eines dCAMs aufweisen kann. Ein solcher CAM kann beispielsweise wahlweise binäre Werte oder analoge Werte in Reaktion auf ein angelegtes analoges Eingangssignal ausgeben. Analoge Werte können ein Maß für eine Distanz angeben bzw. einen Übereinstimmungsgrad sein. Mit einer Distanz kann zum Ausdruck gebracht werden, wie weit ein angelegtes Eingangssignal von einem im CAM gespeicherten Wert entfernt ist bzw. wie sehr ein angelegtes Eingangssignal mit einem gespeicherten Wert übereinstimmt. Der CAM kann dann beispielsweise wahlweise die Werte „0“ und „1“ ausgeben, aber auch Werte, die zwischen „0“ und „1“ liegen, wie zum Beispiel der Wert „0,6“ oder „0,5“.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Schaltkreis bereitgestellt. Der Schaltkreis kann einen CMOS Inverter umfassen. Der Schaltkreis kann einen Widerstand umfassen. Der Widerstand kann so angeordnet sein, dass sich das Ausgangssignal der Schaltung nicht mehr wie beim üblichen CMOS Inverter sprunghaft in Abhängigkeit von einem Eingangssignal ändert und in diesem Sinne nur eine „0“ oder „1“ an seinem Ausgang ausgeben kann. Das Ausgangssignal kann sich stattdessen allmählich verändern, sobald das Eingangssignal einen Schwellwert überschritten hat. Dies kann erreicht werden, indem der Eingang des CMOS Inverters mit dem Ausgang des CMOS Inverters über den Widerstand elektrisch verbunden wird. Die Schaltung kann weiter so sein, dass der Widerstand geändert werden kann. Der Widerstand kann beispielsweise geändert werden, in dem der Widerstand zwischen einem Ausgangswert einem sehr hochohmigen Endwert hin und her geschaltet werden kann. Der Widerstand kann beispielsweise durch einen Schalter geändert werden, der geöffnet und geschlossen werden kann. Der hochohmige Endwert kann so sein, dass sich der CMOS Inverter wie ein üblicher CMOS Inverter verhält. Der Schalter kann so sein, dass sich der CMOS Inverter wie ein üblicher CMOS Inverter verhält, wenn der Schalter geöffnet ist. Der Ausgangswert kann so sein, dass sich der CMOS Inverter wie zuvor beschrieben verhält. Der Ausgangswert kann beispielsweise wenigstens 1 MQ (Megaohm) oder wenigstens 50 MQ oder wenigstens 100 MQ oder wenigstens 200 MQ betragen. Der Ausgangswert kann beispielsweise weniger als 500 MQ oder weniger als 300 MQ betragen. Der Endwert kann beispielsweise wenigstens 1 GQ (Gigaohm) oder wenigstens 50 GQ oder wenigstens 100 GQ betragen.
Der Schaltkreis kann also einen CMOS-Inverter mit resistivem Rückkopplungspfad umfassen, um die Umwandlung eines Eingangssignals in ein Ausgangssignal zu verändern. Beispielsweise kann eine Verstärkung durch den CMOS-Inverter verringert werden. Es durch die Schaltung möglich, einen CAM mit größerer Flexibilität zu schaffen. Die Schaltung kann sowohl hochauflösende analoge CAMs (aCAM) mit scharfer Auswahl als auch differenzierbare CAMs (dCAM) mit flachen Auswahlfunktionsrändern für verbesserte Intra-Zellen- Abstandsmetrik für Gradientenabstieg unterstützen.
Eine Verstärkung durch den CMOS Inverter hängt auch von der an den CMOS Inverter angelegten Potentialen Vss und Vdd ab. Durch an den CMOS Inverter angelegte Spannung als Differenz der Potentiale Vss und Vdd kann festgelegt werden, wie stark die Schaltung ein Eingangssignal maximal verstärken kann. Das Potential Vss kann dauerhaft 0 Volt sein. Das Potential Vdd kann dauerhaft 1 Volt sein.
Wird beispielsweise ein Potential Vss = 0 Volt und ein Potential Vdd = 1 Volt angelegt, dann kann ein Eingangssignal lediglich in invertierter Form als Ausgangssignal ausgegeben werden. Ist das Eingangssignal 0 Volt, dann kann als Ausgangssignal 1 Volt ausgegeben werden. Ist das Eingangssignal 1 Volt, dann kann als Ausgangssignal 0 Volt ausgegeben werden. Um den Wert 0,5 Volt herum kann die Verstärkung moduliert werden. Ist das Eingangssignal 0,5 Volt, dann kann als Ausgangssignal 0,5 Volt ausgegeben werden. Es kann sein, dass das Eingangssignal 0,4 Volt ist, um als Ausgangssignal 0,6 Volt auszugeben. Es kann sein, dass das Eingangssignal 0,3 Volt ist, um als Ausgangssignal 0,7 Volt auszugeben. Diese Modulierung kann aber auf den Bereich um einen bestimmten Wert wie zum Beispiel 0,5 Volt beschränkt sein. Es kann also sein, dass eine Eingangsspannung von 0,2 Volt zu niedrig ist, um als Ausgangssignal eine Spannung von weniger als 1 Volt zu erhalten. Es kann also sein, dass eine Eingangsspannung von 0,2 Volt eine Ausgangsspannung von 1 Volt zur Folge hat.
Die Modulierung hängt von der Größe des Widerstands ab. Je größer der Widerstand ist, desto weniger sprunghaft kann sich ein Ausgangssignal von „0“ zu „1“ verändern. Ist der Widerstand sehr hochohmig, so verhält sich der Schaltkreis wie ein üblicher CMOS-Inverter, der eine Eingangsspannung in eine andere Ausgangspannung sprunghaft umwandeln kann. Der Eingang des CMOS Inverters kann mit einem Memristor elektrisch verbunden sein. Der Memristor kann dafür vorgesehen sein, Informationen speichern zu können. Der Schaltkreis kann also so eingerichtet sein und betrieben werden, dass an den Memristor eine Spannung angelegt werden kann, durch die der Leitwert des Memristors eingestellt werden kann. Eine solche Spannung wird auch Schreibspannung genannt. Es ist dann also eine Programmierung des Memristors möglich. Beispielsweise kann der Memristoren durch ein digitales Signal programmiert werden, welches durch einen Digital-Analog-Konverter in eine analoge Spannung umgewandelt werden kann. Mithilfe der analogen, umgewandelten Spannung kann der Leitwert des Memristors programmiert werden.
Der Schaltkreis kann so eingerichtet sein und betrieben werden, dass an den Memristor eine Spannung angelegt werden kann, durch die der Leitwert des Memristors ausgelesen werden kann. Eine solche Spannung wird auch Lesespannung genannt.
Der Eingang des CMOS Inverters kann mit einem Transistor elektrisch verbunden sein. Der Transistor kann als Spannungsteiler dienen, um einen Leitwert des Memristors beispielsweise lesen zu können. Der Transistor kann Teil eines Spannungsteilers sein.
Der Memristor kann mit dem Transistor elektrisch in Serie geschaltet sein.
Der T ransistor kann ein NMOS T ransistor sein.
Die durch den änderbaren Widerstand bereitgestellte elektrische Verbindung kann durch einen Schalter unterbrochen werden, um so den elektrischen Widerstand zu ändern. Der Schalter kann in einer technisch einfachen Ausführungsform ein Transistor sein. Durch eine solche Änderung kann ein Schaltkreis geschaffen werden, der sowohl wie ein analoger CAM betrieben werden kann als auch wie ein digitaler CAM.
Der änderbare Widerstand kann so eingerichtet sein, dass dieser zwischen einem sehr hochohmigen Leitwert und einem im Vergleich dazu niederohmigen Leitwert hin und her geschaltet werden kann. Auch auf diese Weise kann ein Schaltkreis geschaffen werden, der sowohl wie ein analoger CAM betrieben werden kann als auch wie ein digitaler CAM. Der hochohmige Leitwert kann mehr als 1GQ betragen. Der niederohmige Leitwert kann weniger als 500 MQ betragen.
Der Schaltkreis kann Teil einer CAM sein. Mit anderen Worten, eine Cam umfasst wenigstens einen Schaltkreis, wie dieser zuvor beschrieben worden ist. Eine Cam kann zwei Schaltkreise umfassen, wie diese zuvor beschrieben worden sind. Es können genau zwei solcher Schaltkreise sein. Drei oder mehr solcher Schaltkreise sind dann ausgeschlossen. Ein jeder Schaltkreis kann ein identisches Layout umfassen, um den technischen Aufwand für die Herstellung zu minimieren.
Die CAM kann zwei CMOS Inverter, zwei Memristoren und vier weitere Transistoren umfassen.
Die Cam kann zwei Abschnitte umfasst, wobei ein jeder Abschnitt einen Schaltkreis wie zuvor beschrieben umfassen kann. Ein jeder Abschnitt kann einen eigenen Eingang für eine Eingangsspannung haben. Ein jeder Abschnitt kann einen eigenen Ausgang für eine Ausgangsspannung haben.
Der Eingang des einen Abschnitts kann über einen Inverter mit dem Eingang des anderen Abschnitts verbunden sein.
Die Ausgänge der beiden Abschnitte können mit einer gemeinsam genutzten Leitung verbunden sein. Die gemeinsam genutzte Leitung kann dafür genutzt werden, einen Treffer anzuzeigen. Damit ist gemeint, dass über die gemeinsame genutzte Leitung als Signal eine analoge Spannung ausgegeben werden kann, die einem Signal „0“ oder einem Signal „1“ entspricht. Außerdem kann eine Spannung ausgegeben werden, die einem Signal zwischen „0“ und „1“ entspricht.
Ein erfindungsgemäßer CAM kann Teil eines neuronalen Netzwerks sein, um das neuronale Netzwerk trainieren zu können. Mithilfe des erfindungsgemäßen CAMs kann eine Information erhalten werden, wie gut ein neuronales Netzwerk arbeitet.
Die Eigenschaften und Verhaltensweisen eines neuronalen Netzwerks sollen den Eigenschaften und Verhaltensweisen eines biologischen neuronalen Netzwerks ähneln. Ein neuronales Netzwerk soll mittels lernfähiger Algorithmen Muster erkennen können. Ein neuronales Netz soll, vergleichbar mit dem menschlichen Gehirn, nicht für jede Aufgabe oder jedes Problem von vorne beginnen müssen. Es soll die Möglichkeit haben, auf bereits erworbenes Wissen und schon gemachte Erfahrungen zurückzugreifen.
Ein neuronales Netzwerk mit Memristoren ist aus der Druckschrift CN 208922326 U bekannt. Ein als Synapse dienender Schaltkreis eines neuronalen Netzwerks aus Halbleitermaterialien mit einem elektrisch geladenen Trägergas wird in der Druckschrift EP 0 529 565 B1 beschrieben. Ein integrierter Schaltkreis für die Bereitstellung einer Synapse ist aus der Druckschrift US 2019164597 A1 bekannt. Ein neuronales Netzwerk kann mit konventioneller CMOS Technologie mit einer Vielzahl an Transistoren realisiert werden. Ein neuronales Netzwerk kann ferroelektrische Feldeffekttransistoren (FeFET) umfassen. Der erfindungsgemäße Schaltkreis kann Teil eines dieser neuronalen Netzwerke sein. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : Schaltkreis mit einem CMOS Inverter und einem änderbaren Widerstand;
Figur 2: CMOS Inverter;
Figur 3: Ausgestaltung des Schaltkreises aus Figur 1 ;
Figur 4: Verhalten der Ausgangsspannung gegenüber der Eingangsspnanung des
Schaltkreises aus Figur 3;
Figur 5: Implementierung eines änderbaren Widerstands;
Figur 6: weitere Implementierung eines änderbaren Widerstands;
Figur 7: Schaltkreis für Computersimulation;
Figur 8: Ergebnis der Computersimulation;
Figur 9: analoger CAM nach dem Stand der Technik;
Figur 10: Strom-Spannungs-Kennlienie des CAMs aus Figur 9;
Figur 11 : analoger CAM;
Figur 12: analoger und digitaler CAM;
Figur 13: Strom-Spannungs-Kennlinie der CAM aus Figur 12.
Die Figur 1 zeigt einen Schaltkreis 1 mit einem CMOS Inverter mit einem Eingang jn und einem Ausgang Vout. Der CMOS Inverter umfasst, wie durch Schaltzeichen in der Figur 1 gezeigt, einen p-Kanal-MOSFET sowie einen n-Kanal-MOSFET. An den Drain-Anschluss D des n-Kanal-MOSFETs des CMOS Inverters kann ein Potenzial Vss angelegt werden. An den Drain-Anschluss D des p-Kanal-MOSFETs des CMOS Inverters kann ein Potenzial Vdd angelegt werden. Die maximal mögliche Verstärkung durch den CMOS Inverter wird durch die Potentialdifferenz zwischen den Potentialen Vss und Vdd festgelegt. Zusätzlich zu dem CMOS Inverter gibt es einen änderbaren Widerstand Rfb, der den Eingang Vjn des CMOS Inverters mit dem Ausgang Vout des CMOS Inverters verbindet. Mit G sind in der Figur 1 die Gate Anschlüsse der beiden MOSFETs gekennzeichnet. Mit S sind in der Figur 1 die Source Anschlüsse der beiden MOSFETs gekennzeichnet.
Der Widerstand Rfb ist änderbar, weil sein Leitwert verändert werden kann. Es kann zumindest einen ersten elektrischen Leitwert und einen zweiten elektrischen Leitwert geben. Der Widerstand Rfb kann dann so geschaltet werden, dass er wahlweise den ersten elektrischen Leitwert oder den zweiten elektrischen Leitwert aufweisen kann. Es kann zwischen den beiden Leitwerten hin und her geschaltet werden. Eine der beiden Leitwerte kann dem Fall entsprechen, dass keine elektrisch leitende Verbindung vorhanden ist, es sich also um einen üblichen CMOS Inverter handelt, wie dieser in der Figur 2 gezeigt wird. Die Figur 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Schaltkreises, mit dessen Hilfe ein besonders flexibler CAM geschaffen werden kann. Dieser Schaltkreis weist zusätzlich zum nur schematisch dargestellten Schaltkreis 1 einen Transistor 2 und einen Memristor 3 auf. Der Transistor 2 kann ein MOSFET sein. Ein Leitwert kann beim Memristor 3 eingestellt worden sein. Transistor 2 und Memristor 3 können, wie in der Figur 3 gezeigt, in Serie geschaltet sein. Der Memristor 3 kann, wie in der Figur 3 gezeigt, mit dem Drain-Anschluss des Transistors 2 verbunden sein. Wird eine Spannung VDL an den Gate Anschluss des Transistors 2 angelegt, dann wirkt der Transistor 2 wie ein Spannungsteiler. Die angelegte Spannung VDL kann so gewählt sein, dass nach dem Anlegen der Spannung DL eine Lesespannung an dem T ransistor 2 anliegt. Die Lesespannung kann weniger als 0,7 V betragen. Der Memristor 3 wirkt dann wie ein fester Widerstand. Die Spannung, die auf diese Weise am Eingang Vjn der Schaltung 1 anliegt, hängt von dem Leitwert des Memristors 3 ab. Die Schaltung 1 gibt dann an ihrem Ausgang Vout eine Spannung aus, die von dem eingestellten Leitwert des Widerstands Rfb abhängt. Ist der Leitwert Rfb sehr hochohmig und liegt beispielsweise im GQ Bereich, so wird am Ausgang Vout grundsätzlich eine minimale Spannung von beispielsweise 0 Volt oder eine maximale Spannung von beispielsweise 1 Volt ausgegeben. Dies entspricht einer „0“ oder eine „1“ als Information. Ist der Leitwert Rfb nicht sehr hochohmig und beträgt beispielsweise einige 100 MQ, so kann eine Spannung ausgegeben werden, die zwischen dem Minimum und dem Maximum der Spannungen liegt, die am Ausgang Vout ausgegeben werden können. Es kann damit ein Maß als Information ausgegeben werden, das als zwischen „0“ und „1“ liegend und damit als analoge Information angesehen werden kann. Es ist deshalb möglich, mit Hilfe dieser Schaltung ein CAM zu schaffen, die wie eine aCAM sowie wie eine dCAM arbeiten kann.
Die Figur 4 zeigt das Verhalten der Spannung am Ausgang Vout in Abhängigkeit von der am Eingang VDL angelegten Spannung. Ist der Widerstand Rfb sehr hochohmig, dann springt die am Ausgang Vout ausgegebene Spannung von einem minimalen Spannungswert gemäß der Kurve 4 zu einem maximalen Spannungswert und damit eine Ausgabe einer rein digitalen Information, sobald die an dem Eingang VDL angelegte Spannung einen Grenzwert VoL_bound überschreitet. Ist der Widerstand Rfb nicht sehr hochohmig, dann sind mittlere Spannungswerte gemäß der Kurve 5 möglich und damit eine Ausgabe einer analogen Information am Ausgang Vout des CMOS Inverters.
Die Figur 5 zeigt eine Implementierung änderbaren Widerstands Rfb, der geändert werden kann. Der änderbare Widerstand Rfb umfasst einen ohmschen Widerstand 6, der einen Leitwert von einigen 100 MQ aufweisen kann. Mithilfe eines Transistors 7 kann der Stromfluss durch den ohmschen Widerstand 6 ermöglicht oder unterbrochen werden. Es kann damit zwischen zwei verschiedenen Zuständen geschaltet werden. Die Figur 6 zeigt eine andere Implementierung eines veränderbaren Widerstands. Es handelt sich um einen Schaltkreis zur Implementierung einer steuerbaren, hochohmigen MOS Impedanz. Die Funktionsweise dieser hochohmigen CMOS-Schaltung wird in der Druckschrift „Armin Tajalli, Yusuf Leblebici, and Elizabeth Brauer. “Implementing Ultra-high-Value Floating Tunable CMOS Resistors”, Electronics Letters 44 (Feb. 2008). DOI: 10.1049/el:20082538“ näher erläutert. Durch Anlegen von Potentialen Vss und Vdd wird der Widerstand geschaltet. Der Widerstand kann so sein, dass zwischen einem Leitwert in der Größenordnung von beispielsweise 100 MQ bis 500 MQ und einem Leitwert von beispielsweise mehr als 1 GQ hin und her geschaltet werden kann. Diese Leitwerte treten zwischen den Kontakten 1 und 2 auf. Die Kontakte 1 und 2 sind die Anschlüsse und „+“, die in der Figur 2 der genannten Druckschrift gezeigt werden.
Mithilfe einer Computersimulation wurde der Einfluss des Widerstands Rfb überprüft. Die Figur 7 zeigt den Schaltkreis, der für die Computersimulation verwendet wurde. Der ohmsche Widerstand R1 simuliert den Memristor 3. Der ohmsche Widerstand R2 simuliert den änderbaren Widerstand Rfb. Die Figur 8 zeigt das Ergebnis der Computersimulation. Für den Leitwert des Memristors 3 wurden zwei verschiedene Werte für R1 simuliert. Die Simulation zeigte, dass eine Veränderung des Leitwerts des Memristors 3 die Kurvenschar entlang der Achse Vdl verschiebt und von ca. 0,6 V zu ca. 0,8 V. Durch Einstellen des Leitwerts des Memristors 3 kann also der Grenzwert VDL- bound eingestellt werden, durch den festgelegt wird, wann ein Sprung von der Information „0“ auf auf die Information „1“ möglich ist.
Für den Widerstand Rfb wurden vier verschiedene Leitwerte simuliert und zwar 5MQ, 10MQ, 23MQ und 50MQ. Je größer der Leitwert für Rfb war, umso mehr ähnelte der Kurvenverlauf dem Kurvenverlauf eines üblichen CMOS Inverters mit einem sprunghaften Anstieg der Spannung, die am Ausgang Vout ausgegeben wird, sobald die angelegte Spannung Vdl einen Grenzwert überschreitet. Durch den Leitwert des Widerstands Rfb kann also eingestellt werden, wie steil ein Sprung von der Information „0“ auf die Information „1“ ist.
Der Leitwert des in der Figur 3 gezeigten Memristors 3 kann wie folgt geändert werden. Es kann zunächst eine hohe Spannung an den Anschluss VSL+AE des Memristors angelegt werden, die so hoch gewählt ist, dass dadurch der Memristor zurückgesetzt wird. An den Anschluss VSL+OE des Transistors 2 kann im Anschluss an das Zurücksetzen des Memristors 3 eine Spannung angelegt werden, die hoch genug ist, um den Memristor mithilfe einen an den Anschluss VDL angelegten Spannung beschreiben zu können. Der Memristor 3 kann zur Speicherung einer Information dienen. Der Leitwert des Memristors 3 kann programmiert werden. Ein programmierter Leitwert des Memristors 3 kodiert eine Spannung und speichert dadurch eine Information. Mithilfe eines erfindungsgemäßen Schaltkreises kann geprüft werden, ob eine angelegte Spannung VDL der kodierten Spannung entspricht. Die Funktionsweise wird in der Druckschrift „Can Li et al. “Analog content- addressable memories with memristors” In: Nature Communications 11.1 (Apr. 2020). DOI: 10.1038/s41467-020-15254-4“ genauer erläutert. Der daraus bekannte Schaltkreis wird in der Abbildung 9 dieser Druckschrift gezeigt. Dieser Schaltkreis wird aus sechs Transistoren und zwei Memristoren gebildet. Der in der Abbildung 9 dieser Druckschrift gezeigte Schaltkreis vergleicht ein analoges Eingangssignal mit einem gespeicherten Bereich, der durch eine obere und eine untere Grenze definiert wird. Die obere Grenze wird durch den Leitwert des einen Memristors festgelegt. Die untere Grenze wird durch den Leitwert des anderen Memristors festgelegt. Der Schaltkreis gibt aus, ob eine Übereinstimmung mit dem Bereich gefunden wurde oder nicht. In der Abbildung 10 dieser Druckschrift wird beispielhaft ein Ergebnis in Abhängigkeit von einer angelegten Eingangsspannung VDL gezeigt. Eine Übereinstimmung und damit eine „1“ wird ausgegeben, wenn der Strom IML ausgehend von dem Wert 0,34 pA auf den Wert 0 pA springt. Ungünstig für die Bestimmung des Bereichs ist, dass die fallende Flanke deutlich von einer Senkrechten abweicht. Es kann deshalb schwierig sein, eindeutig zwischen einer Übereinstimmung und einer fehlenden Übereinstimmung zu unterscheiden. Dies wirkt sich nachteilhaft auf die Speicherdichte aus. Ungünstig ist auch die fehlende Symmetrie zwischen der steigenden und der fallenden Flanke. Um einen günstigeren Verlauf einer solchen Strom-Spannungs-Kennlinie zu erhalten, wird in der Druckschrift „Jinane Bazzi et al. Efficient Analog CAM Design. 2022. DOI: 10.48550/ARXIV.2203.02500. URL: https://arxiv.org/abs/2203.02500“ ein Schaltkreis vorgeschlagen, der zusätzliche Inverterstufen umfasst. Dieser Schaltkreis umfasst zehn Transistoren und zwei Memristoren. In diesem Fall verläuft sowohl die fallende als auch die steigende Flanke sehr steil. Eine hohe Speicherdichte ist dadurch möglich. Allerdings ist nach wie vor ein asymmetrisches Verhältnis zwischen der steigenden und der fallenden Flanke vorhanden.
In der Figur 11 wird ein Schaltkreis mit einer weiter verbesserten Strom-Spannungs-Kennlinie gezeigt. Dieser Schaltkreis ist eine aCam und ist eine eigenständige Erfindung. Der Schaltkreis umfasst zwei Memristoren 8 und 9, zwei CMOS Inverter 10 und 11 sowie vier weitere Transistoren 12,13, 14,15. Der Schaltkreis umfasst also zwei Memristoren und 8 Transistoren.
Der Abschnitt 17 des Schaltkreises umfasst den Memristor 8, den CMOS Inverter 10 und die beiden Transistoren 12 und 13. Dieser Abschnitt 17 ist identisch mit dem Abschnitt 18, der den Memristor 9, den CMOS Inverter 11 und die beiden Transistoren 14 und 15 umfasst. Der Schaltkreis ist weiter so, dass an den Abschnitt 17 eine Spannung VDL LB als Eingangssignal angelegt werden kann und an den Abschnitt 18 eine Spannung VDL HB.
Die Schaltung kann einen Inverter 16 umfassen, der eine angelegte Eingangsspannung VDL invertiert. An den ersten Abschnitt 17 kann so eine Spannung VDL angelegt werden, die mit der Spannung DL LB identisch ist. An den zweiten Abschnitt 18 kann durch den Inverter 16 eine invertierte Spannung VDL ausgegeben werden, die mit der Spannung VDL HB identisch ist.
Durch die Invertierung wird erreicht, dass derzweite Abschnitt 18 sich auf die steigende Flanke bezieht. Der erste Abschnitt 17 bezieht sich auf die fallende Flanke. In der Figur 11 wird dies durch die Bezeichnungen VDL LB und VDL HB zum Ausdruck gebracht, wobei mit „LB“ eine „untere Grenze“ („low bound“) bezeichnet wird und mit HB eine obere Grenze („high bound“). Durch die Invertierung wird außerdem erreicht, dass die Abschnitte 17 und 18 identisch sein können. Dies vereinfacht nicht nur das Layout, sondern darüber hinaus, dass die steigende und die fallende Flanke symmetrisch sind.
Der Inverter 16 kann einen digitalen Inverter umfassen. Der Inverter 16 kann einen Analog- Digital-Wandler umfassen, der eine Spannung VDL digitalisiert. Das digitale Signal kann durch den digitalen Inverter invertiert werden. Anschließend wird das invertierte, digitale Signal durch einen Digital-Analog-Wandler in eine analoge Spannung umgewandelt. Der Inverter 16 kann ein analoger Inverter sein, so zum Beispiel ein Operationsverstärker.
Das Vorsehen eines Inverters 16 ist nicht zwingend erforderlich. Es kommt nur darauf an, dass an den ersten Abschnitt 17 eine Spannung VDL LB angelegt werden kann und an den zweiten Abschnitt 18 eine im Vergleich dazu geeignet invertierte Spannung VDL HB. SO ist beispielsweise möglich, den Schaltkreis wie folgt digital anzusteuern. Es kann eine Spannung VDL LB mithilfe eines digitalen Signals an den ersten Abschnitt 17 angelegt werden. Durch das digitale Signal kann ein Analog-Digital-Wandler so ansteuert werden, dass der Analog-Digital-Wandler die Spannung VDL LB an den ersten Abschnitt 17 anlegt. Es kann eine Spannung VDL HB mithilfe eines digitalen Signals an den zweiten Abschnitt 18 angelegt werden. Durch das digitale Signal kann ein Analog-Digital-Wandler so ansteuert werden, dass der Analog-Digital-Wandler die Spannung VDL HB an den zweiten Abschnitt 18 anlegt. Es kann so erreicht werden, dass die Spannung VDL HB SO im Vergleich zur Spannung VDL LB invertiert ist, dass sich der erste Abschnitt 17 auf die fallende Flanke und der zweite Abschnitt 18 auf die steigende Flanke bezieht.
Durch den Leitwert des ersten Memristors 8 wird folglich eine untere Grenze für einen gespeicherten Bereich festgelegt. Durch den Leitwert des zweiten Memristors 9 wird eine obere Grenze für einen gespeicherten Bereich festgelegt. Der Schaltkreis kann eine Leiterbahn ML („match line“) umfassen, über die Ergebnisse der Abschnitte 17 sowie 18 ausgegeben werden können. An die Abschnitte 17 und 18 können gemeinsam durch entsprechende Leiterbahnen Potentiale VSL+OE und VSL+AE für den Betrieb angelegt werden.
Durch diese eigenständige Erfindung können Flanken erzielt werden, die so steil sind wie dies bei dem beschriebenen aCam mit den zwei Memristoren und den 10 Transistoren möglich ist. Vorteilhaft sind die Flanken aber nun symmetrisch. Es können sich dadurch weitere Vorteile bei Anwendungen geben. Beispielweise lassen sich dadurch verbesserte Ergebnisse im Fall von „machine learning“ erzielen.
Der in der Figur 11 gezeigte Schaltkreis ist keine CAM, die nicht nur wie ein aCAM, sondern auch wie ein dCAM betrieben werden kann. Um dies realisieren zu können, kann beispielsweise der in der Figur 1 gezeigte Schaltkreis in den in der Figur 11 gezeigten Schaltkreis integriert werden. Ein so entstandener Schaltkreis wird in der Figur 12 gezeigt.
Die Figur 13 zeigt Strom - Spannungs - Kennlinien, die sich mit dem in der Figur 12 gezeigten Schaltkreis erzielen lassen, und zwar in Abhängigkeit vom Widerstand Rfß. Zu erkennen ist, dass symmetrische Strom - Spannungs - Kennlinien erhalten werden können. Die fallende Flanke ist symmetrisch zur steigenden Flanke. Mit derartigen Strom - Spannungs - Kennlinien lässt sich das Verhalten einer dCAM erreichen. Ist der Widerstand Rfß hinreichend groß, so verhält sich der in der Figur 12 gezeigte Schaltkreis wie der in der Figur 11 gezeigte Schaltkreis, also wie eine aCAM.
Der änderbare Widerstand RFB kann beim in der Figur 12 gezeigten Schaltkreis beispielsweise 800 Q betragen, damit die CAM wie eine analoge CAM arbeiten kann. Der änderbare Widerstand RFB kann beispielsweise 10 GQ oder mehr betragen, damit die CAM wie eine digitale CAM arbeiten kann.

Claims

Ansprüche
1. Schaltkreis mit einem CMOS Inverter (10, 11) und einem änderbaren Widerstand (Rfb), wobei der änderbare Widerstand (Rfb) den Eingang (Vjn) des CMOS Inverters (10, 11) mit dem Ausgang (Vout) des CMOS Inverters (10, 11) elektrisch verbindet.
2. Schaltkreis nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang (Vjn) des CMOS Inverters (10, 11) mit einem Memristor (3, 8, 9) elektrisch verbunden ist.
3. Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang (Vjn) des CMOS Inverters (10, 11) mit einem Transistor (2, 12, 14) elektrisch verbunden ist.
4. Schaltkreis nach den beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Memristor (3, 8, 9) mit dem Transistor (2, 12, 14) elektrisch in Serie geschaltet ist.
5. Schaltkreis nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor (2, 12, 14) ein NMOS Transistor ist.
6. Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den änderbaren Widerstand (Rfb) bereitgestellte elektrische Verbindung durch einen Schalter unterbrochen werden kann.
7. Schaltkreis nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter ein Transistor (7) ist.
8. Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der änderbare Widerstand (Rfb) so eingerichtet ist, dass dieser zwischen einem sehr hochohmigen Leitwert und einem im Vergleich dazu niederohmigen Leitwert hin und her geschaltet werden kann.
9. Schaltkreis nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der hochohmige Leitwert mehr als 1GQ oder wenigstens 10 GQ beträgt und der niederohmige Leitwert weniger als 1GQ oder weniger als 500 MQ.
10. Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreis Teil eines neuronalen Netzwerks ist.
11 . Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreis Teil einer CAM ist.
12. Schaltkreis nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die CAM zwei CMOS Inverter (12, 14), zwei Memristoren (8, 9) und vier weitere Transistoren (12, 13, 14, 15) umfasst.
13. Schaltkreis nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Cam zwei identische Abschnitte (17, 18) umfasst, wobei ein jeder Abschnitt einen Schaltkreis mit den Merkmalen des Anspruch 4 umfasst und ein jeder Abschnitt einen eigenen Eingang für eine Eingangsspannung (VDL LB, VDL HB) hat.
14. Schaltkreis nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang des einen Abschnitts (17) übereinen Inverter (16) mit dem Eingang des anderen Abschnitts (18) verbunden ist.
15. Schaltkreis nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge der beiden Abschnitte (17, 18) mit einer gemeinsam genutzten Leitung (ML) verbunden sind.
EP24731538.5A 2023-06-19 2024-06-05 Schaltkreis für einen cam Pending EP4616400A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102023205689.5A DE102023205689A1 (de) 2023-06-19 2023-06-19 Schaltkreis für einen CAM
PCT/EP2024/065367 WO2024260726A1 (de) 2023-06-19 2024-06-05 Schaltkreis für einen cam

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4616400A1 true EP4616400A1 (de) 2025-09-17

Family

ID=91432402

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP24731538.5A Pending EP4616400A1 (de) 2023-06-19 2024-06-05 Schaltkreis für einen cam

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP4616400A1 (de)
DE (1) DE102023205689A1 (de)
WO (1) WO2024260726A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102023209266B4 (de) 2023-09-22 2026-02-05 Forschungszentrum Jülich GmbH Vorrichtung und Verfahren für eine Ähnlichkeitsbewertung

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2715722B2 (ja) 1991-08-23 1998-02-18 日本電気株式会社 半導体シナプス回路とその製造方法、及び半導体ニューロン素子、及び半導体−超伝導体複合ニューロン素子
US9071194B1 (en) * 2013-06-04 2015-06-30 Pmc-Sierra Us, Inc. Electro-mechanical oscillator and method for generating a signal
US10658030B2 (en) 2017-11-29 2020-05-19 International Business Machines Corporation Synaptic crossbar memory array
CN208922326U (zh) 2018-10-29 2019-05-31 南京邮电大学 一种基于忆阻器阵列的神经网络突触觉结构

Also Published As

Publication number Publication date
DE102023205689A1 (de) 2024-12-19
WO2024260726A1 (de) 2024-12-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE4036973C2 (de) Schaltung zur Erzeugung einer gegenüber einer extern zugeführten Versorgungsspannung erhöhten Lösch- oder Programmierspannung in einer Halbleiter-Speicherschaltung
DE10212640B4 (de) Logische Bauteile aus organischen Feldeffekttransistoren
DE2324965C3 (de) Schaltungsanordnung zum Auslesen eines kapazitiven Datenspeichers
DE3523400C2 (de) Schaltungsanordnung für eine Ausgangsstufe der Klasse AB mit großer Schwingungsweite
DE69332857T2 (de) Halbleitervorrichtung.
DE69422915T2 (de) Leseverstärker-organisation
DE69621165T2 (de) Ferroelektrischer Speicher und Verfahren für seine Betriebswirkung
DE1774459A1 (de) Speicherschaltung
DE3633591C2 (de) Innerer Volldifferenzoperationsverstärker für integrierte CMOS-Schaltungen
DE2059933A1 (de) Digital-Analog-Wandler
WO2024260726A1 (de) Schaltkreis für einen cam
DE69523275T2 (de) Digital-Analogwandlungsgerät mit Einheitsstromdifferentialschaltung und Spannungerzeugungsschaltungen
DE2646653A1 (de) Leseverstaerker fuer statische speichereinrichtung
DE2431580A1 (de) Speicherschaltung
DE2519323C3 (de) Statisches Drei-Transistoren-Speicherelement
DE2638086A1 (de) Integrierte stromversorgung
DE69404808T2 (de) Treiberschaltungen
DE69905699T2 (de) Lesevorgang für nichtflüchtige Speicher mit einem mit der Lesespannung variablen Abtaststrom, und Anordnung zur Verwirkligung dieses Vorgangs
WO2022063658A1 (de) Skalarproduktschaltung und verfahren zum berechnen binärer skalarprodukte eines eingangsvektors mit gewichtsvektoren
DE69001185T2 (de) Regelbarer Widerstand in MOS-Technik.
DE10351016B3 (de) Pseudo-dynamische Off-Chip-Treiber-Kalibrierung
DE2737544B2 (de) Ausgangsverstärker mit CMOS-Transistoren
DE2050741A1 (de) Logik Schaltkreis mit Schwellwert einstellkreis
DE2758810C2 (de) Bewerterschaltung für Halbleiterspeicher
DE112021003866T5 (de) Nichtflüchtiger speicher

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20250611

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR