TWI833579B - 用於執行記憶體內搜尋的記憶裝置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一種記憶裝置，用於執行記憶體內搜尋。記憶裝置的多條第一訊號線施加搜尋電壓，搜尋電壓對應於搜尋資料。記憶裝置的多條第二訊號線產生輸出電流。記憶裝置的各個記憶胞的臨界電壓對應於儲存資料，儲存資料與搜尋資料進行比較以得到比較結果。輸出電流反映比較結果。記憶胞包括多個第一記憶胞與多個第二記憶胞。第一記憶胞的儲存資料與搜尋資料的數值相等於第二記憶胞的儲存資料與搜尋資料的數值。第一記憶胞的臨界電壓互補於第二記憶胞的臨界電壓。施加於第一記憶胞的搜尋電壓互補於施加於第二記憶胞的搜尋電壓。

Description

用於執行記憶體內搜尋的記憶裝置及其操作方法

本揭示關於一種半導體裝置及其操作方法，特別有關於一種記憶裝置及其操作方法以執行記憶體內搜尋。

三進制內容可尋址存儲器(TCAM)可以實現高度並行的搜尋，可應用於大數據和人工智能的數據比對與搜尋。在現有技術中，基於三維反及閘快閃(NAND-Flash)架構的記憶體內搜尋(in-memory-search，IMS)可執行精確匹配(exact matching)，以實現 TCAM的功能。

然而，精確匹配的機制下，當儲存資料不匹配於搜尋資料時，記憶字串的輸出電流將被阻斷，對應的感應放大器無法感測輸出電流。因此，難以判斷儲存資料與搜尋資料的不匹配之程度。即，難以判斷儲存資料與搜尋資料之間不匹配的位元的數量(稱為「不匹配位元數」)。此外，搜尋字的長度(即，搜尋字的位元數)亦可能受限。

因此，本技術領域之技術人員係提出改良式的記憶裝置的架構，使用重配置的IMS架構來執行三維反及閘快閃中的二進制搜尋。其能夠執行近似匹配(approximate-matching)以判斷不匹配位元數，且隨著三維反及閘快閃的層數增加而能夠增加搜尋字的長度。

根據本揭示之一方面，提供一種記憶裝置，用於執行記憶體內搜尋，記憶裝置包括複數條第一訊號線、複數條第二訊號線及複數個記憶胞。各第一訊號線用於輸入搜尋資料，各第一訊號線施加搜尋電壓，搜尋電壓對應於搜尋資料。各第二訊號線用於產生輸出電流。記憶胞耦接於第一訊號線及第二訊號線，各記憶胞用於儲存儲存資料，各記憶胞的臨界電壓對應於儲存資料，儲存資料與搜尋資料進行比較以得到比較結果，輸出電流反映比較結果。記憶胞包括複數個第一記憶胞及複數個第二記憶胞，第一記憶胞的儲存資料與搜尋資料的數值相等於第二記憶胞的儲存資料與搜尋資料的數值，第一記憶胞的臨界電壓互補於第二記憶胞的臨界電壓，並且施加於第一記憶胞的搜尋電壓互補於施加於第二記憶胞的搜尋電壓。

根據本揭示之另一方面，提供一種記憶裝置的操作方法，用於執行記憶體內搜尋，記憶裝置包括複數條第一訊號線、複數條第二訊號線及複數個記憶胞，記憶胞耦接於第一訊號線及第二訊號線，各記憶胞用於儲存儲存資料，各記憶胞的臨界電壓對應於儲存資料。操作方法包括以下步驟。經由各第一訊號線施加搜尋電壓，搜尋電壓對應於搜尋資料。經由各記憶胞對於儲存資料與搜尋資料進行比較以得到比較結果。經由各第二訊號線產生輸出電流，輸出電流反映比較結果。記憶胞包括複數個第一記憶胞及複數個第二記憶胞，第一記憶胞的儲存資料與搜尋資料的數值相等於第二記憶胞的儲存資料與搜尋資料的數值，第一記憶胞的臨界電壓互補於第二記憶胞的臨界電壓，並且施加於第一記憶胞的搜尋電壓互補於施加於第二記憶胞的搜尋電壓。

透過閱讀以下圖式、詳細說明以及申請專利範圍，可見本揭示之其他方面以及優點。

本說明書的技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。本揭示之各個實施例分別具有一或多個技術特徵。在可能實施的前提下，本技術領域具有通常知識者可選擇性地實施任一實施例中部分或全部的技術特徵，或者選擇性地將這些實施例中部分或全部的技術特徵加以組合。

第1圖為本揭示一實施例之記憶裝置1000的示意圖。如第1圖所示，記憶裝置1000包括複數條第一訊號線VSL1~VSLm、複數條第二訊號線BL1~BLn、複數個記憶胞100(1,1)~100(m,n)以及複數個感應放大器SA1~SAn。

第一訊號線VSL1~VSLm例如是字元線，第二訊號線BL1~BLn例如是位元線。記憶胞100(1,1)~100(m,n)排列為陣列形式。排列於第1個橫向列的記憶胞100(1,1)、100(1,2)、100(1,3)、…、100(1,n)各自的閘極耦接於第1條第一訊號線VSL1。排列於第1個縱向行的記憶胞100(1,1)、100(2,1)、100(3,1)、…、100(m,1)各自的汲極耦接於第1條第二訊號線BL1。

第1個感應放大器SA1耦接於記憶胞100(m,1)的源極並且耦接於第1條第二訊號線BL1。第2個感應放大器SA2耦接於記憶胞100(m,2)的源極並且耦接於第2條第二訊號線BL2。類似的，第n個感應放大器SAn耦接於記憶胞100(m,n)的源極並且耦接於第n條第二訊號線BLn。

記憶胞100(1,1)~100(m,n)例如是單階記憶胞(single level cell，SLC)，記憶胞100(1,1)~100(m,n)的每一者用於儲存一個位元的儲存資料st。由於記憶胞100(1,1)~100(m,n)為單階記憶胞，較不容易發生資料讀取錯誤，因此本揭示的記憶裝置1000具有較佳的可靠度(reliability)。

記憶裝置1000為三維反及閘(3D-NAND)的結構，記憶裝置1000的結構具有m個層(layer)。同一條第二訊號線耦接了m個記憶胞，一個記憶胞設置於記憶裝置1000的結構的一個層且耦接於一條第一訊號線。例如，第二訊號線BL1耦接了m個記憶胞100(1,1)~100(m,1)，此些記憶胞100(1,1)~100(m,1)分別設置於m個層且耦接於m條第一訊號線VSL1~VSLm。

第一訊號線VSL1~VSLm的每一者用於輸入一個位元的搜尋資料sr。經由第一訊號線VSL1~VSLm輸入搜尋電壓，搜尋電壓施加於記憶胞100(1,1)~100(m,n)之對應一者，且搜尋電壓對應於搜尋資料sr。另一方面，記憶胞100(1,1)~100(m,n)的每一者具有一臨界電壓，臨界電壓對應於儲存資料st。

記憶裝置1000對於儲存資料st與搜尋資料sr進行比較以得到比較結果，據以執行「記憶體內搜尋(in-memory-search，IMS)」。第二訊號線BL1~BLn各自產生的輸出電流I1~In可反映儲存資料st與搜尋資料sr的比較結果。

記憶裝置1000的記憶胞100(1,1)~100(m,n)包括複數個第一記憶胞100(1a,1)及複數個第二記憶胞100(1b,1) (圖中未顯示)。記憶裝置1000的第一記憶胞100(1a,1)的儲存資料st與搜尋資料sr的數值是相等於第二記憶胞100(1b,1)。然而，第一記憶胞100(1a,1)的臨界電壓與被施加的搜尋電壓是互補(complementary)或反向(inverse)於第二記憶胞100(1b,1)。

第2A圖為第一記憶胞100(1a,1)的臨界電壓分布與對應輸入的搜尋電壓的示意圖。如第2A圖所示，記憶胞100(1a,1)耦接於第一訊號線VSL1a，可經由編程電壓改變記憶胞100(1a,1)的臨界電壓分布。當記憶胞100(1a,1)具有低電壓值的第一臨界電壓LVT時，記憶胞100(1a,1)的儲存資料st為一個位元的「1」。當記憶胞100(1a,1)具有高電壓值的第二臨界電壓HVT時，記憶胞100(1a,1)的儲存資料st為一個位元的「0」。第一臨界電壓LVT低於第二臨界電壓HVT。第一臨界電壓LVT的電壓值低於0V，第二臨界電壓HVT的電壓值的範圍大致為3V~4V。

另一方面，經由第一訊號線VSL1a輸入第一搜尋電壓VH1或第二搜尋電壓VH2至記憶胞100(1a,1)的閘極。第一搜尋電壓VH1低於第二搜尋電壓VH2。第一搜尋電壓VH1的電壓值的範圍大致為3V~5V，第二搜尋電壓VH2的電壓值的範圍大致為6V~9V。在第2A圖的示例中，第一搜尋電壓VH1的電壓值例如為5V，第二搜尋電壓VH2的電壓值例如為8V。第一搜尋電壓VH1對應的搜尋資料sr為一個位元的「1」，第二搜尋電壓VH2對應的搜尋資料sr為一個位元的「0」。

第2A圖的橫軸為記憶胞100(1a,1)的閘極電壓VG。當記憶胞100(1a,1)的儲存資料st為「0」且搜尋資料sr為「1」時，記憶胞100(1a,1)具有第二臨界電壓HVT，且第一訊號線VSL1a輸入第一搜尋電壓VH1至記憶胞100(1a,1)的閘極。根據記憶胞100(1a,1)的閘極電壓VG的高低關係，第一搜尋電壓VH1與第二臨界電壓HVT之間的電壓差大致相等於2V，即，記憶胞100(1a,1)的閘極過驅電壓(gate overdrive voltage)大致相等於2V。

另一方面，當記憶胞100(1a,1)的儲存資料st為「0」且搜尋資料sr為「0」時，記憶胞100(1a,1)具有第二臨界電壓HVT且經由第一訊號線VSL1a接收第二搜尋電壓VH2。第二搜尋電壓VH2與第二臨界電壓HVT之間的電壓差大致相等於5V，記憶胞100(1a,1)的閘極過驅電壓大致相等於5V。

當記憶胞100(1a,1)的儲存資料st為「1」且搜尋資料sr為「1」時，記憶胞100(1a,1)具有第一臨界電壓LVT且經由第一訊號線VSL1a接收第一搜尋電壓VH1。第一搜尋電壓VH1與第一臨界電壓LVT之間的電壓差大致相等於5V，記憶胞100(1a,1)的閘極過驅電壓大致相等於5V。

當記憶胞100(1a,1)的儲存資料st為「1」且搜尋資料sr為「0」時，記憶胞100(1a,1)具有第一臨界電壓LVT且經由第一訊號線VSL1a接收第二搜尋電壓VH2。第二搜尋電壓VH2與第一臨界電壓LVT之間的電壓差大致相等於8V，記憶胞100(1a,1)的閘極過驅電壓大致相等於8V。

綜上所述，當記憶胞100(1a,1)的儲存資料st為「0」且搜尋資料sr為「1」時，IMS的比較結果為「不匹配」：儲存資料st不匹配於搜尋資料sr。記憶胞100(1a,1)具有較低的閘極過驅電壓(大致相等於2V)。當儲存資料st與搜尋資料sr為其他的數值時，記憶胞100(1a,1)具有較高的閘極過驅電壓(大致相等於5V或8V)。

第2B圖為第一記憶胞100(1a,1)產生的輸出電流I(1a,1)的示意圖，其對應於第2A圖的不同的儲存資料st與搜尋資料sr。如第2B圖所示，當記憶胞100(1a,1)儲存不同的儲存資料st、且第一訊號線VSL1a輸入不同的搜尋資料sr時，記憶胞100(1a,1)對應產生不同電流值的輸出電流I(1a,1)。輸出電流I(1a,1)是從記憶胞100(1a,1)的汲極D流向源極S。

當記憶胞100(1a,1)的儲存資料st為「0」且搜尋資料sr為「1」時，IMS的比較結果為「不匹配」：儲存資料st不匹配於搜尋資料sr。記憶胞100(1a,1)具有較低的閘極過驅電壓(大致相等於2V)，記憶胞100(1a,1)產生的輸出電流I(1a,1)具有第一電流值。第一電流值為低電流值，例如為10nA~90nA的電流值範圍。

另一方面，當儲存資料st與搜尋資料sr為其他的數值時，(即，儲存資料st為「0」且搜尋資料sr為「0」、儲存資料st為「1」且搜尋資料sr為「1」、或儲存資料st為「1」且搜尋資料sr為「0」)，記憶胞100(1a,1)具有較高的閘極過驅電壓(大致相等於5V或8V)，記憶胞100(1a,1)產生的輸出電流I(1a,1)具有第二電流值。第二電流值為高電流值，例如為100nA~200nA的電流值範圍。第二電流值高於第一電流值。

由上，具有第一電流值的輸出電流I(1a,1)反映的比較結果為：搜尋資料sr為「1」不匹配於儲存資料st為「0」。因此，記憶胞100(1a,1)可根據第一電流值的輸出電流I(1a,1)獲得搜尋資料sr為「1」不匹配於儲存資料st為「0」的比較結果。

第3A圖為第二記憶胞100(1b,1)的臨界電壓分布與對應輸入的搜尋電壓的示意圖。如第3A圖所示，記憶胞100(1b,1)耦接於第一訊號線VSL1b。對於相同的儲存資料st與相同的搜尋資料sr而言，第二記憶胞100(1b,1)的臨界電壓與被施加的搜尋電壓是互補(或反向)於第一記憶胞100(1a,1)。

第二記憶胞100(1b,1)的低電壓值的第一臨界電壓LVT對應於儲存資料st為「0」，高電壓值的第二臨界電壓HVT則對應於儲存資料st為「1」。經由第一訊號線VSL1b輸入低電壓值的第一搜尋電壓VH1對應於搜尋資料sr為「0」，高電壓值的第二搜尋電壓VH2則對應於搜尋資料sr為「1」。

對於第二記憶胞100(1b,1)而言，當儲存資料st為「1」且搜尋資料sr為「0」時，記憶胞100(1b,1)具有第二臨界電壓HVT且從第一訊號線VSL1b接收第一搜尋電壓VH1。根據記憶胞100(1b,1)的閘極電壓VG的電壓值高低關係，第一搜尋電壓VH1與第二臨界電壓HVT之間的電壓差大致相等於2V，即，記憶胞100(1b,1)的閘極過驅電壓大致相等於2V。

另一方面，當記憶胞100(1b,1)的儲存資料st與搜尋資料sr為其他的數值時，(即，儲存資料st為「0」且搜尋資料sr為「0」、儲存資料st為「1」且搜尋資料sr為「1」、或儲存資料st為「0」且搜尋資料sr為「1」)，搜尋電壓與臨界電壓之間的電壓差大致相等於5V或8V，記憶胞100(1b,1)具有較高的閘極過驅電壓(大致相等於5V或8V)。

第3B圖為第二記憶胞100(1b,1)產生的輸出電流I(1b,1)的示意圖，其對應於第3A圖的不同的儲存資料st與搜尋資料sr。如第3B圖所示，當第二記憶胞100(1b,1)的儲存資料st為「1」且搜尋資料sr為「0」時，記憶胞100(1b,1)具有較低的閘極過驅電壓(大致相等於2V)，記憶胞100(1b,1)產生的輸出電流I(1b,1)具有第一電流值。

另一方面，當記憶胞100(1b,1)的儲存資料st與搜尋資料sr為其他的數值時，(即，儲存資料st為「0」且搜尋資料sr為「0」、儲存資料st為「1」且搜尋資料sr為「1」、或儲存資料st為「0」且搜尋資料sr為「1」)，記憶胞100(1b,1)具有較高的閘極過驅電壓(大致相等於5V或8V)，記憶胞100(1b,1)產生的輸出電流I(1b,1)具有較高的第二電流值。

由上，具有第一電流值的輸出電流I(1b,1)反映出搜尋資料sr為「0」不匹配於儲存資料st為「1」的比較結果。相對的，第2A、2B圖所示的記憶胞100(1a,1)具有互補(或反向)的臨界電壓與搜尋電壓，因此記憶胞100(1a,1)可獲得比較結果：搜尋資料sr為「1」不匹配於儲存資料st為「0」。

第4A圖為記憶裝置1000的記憶字串10a對於搜尋資料sr與儲存資料st進行比較的示意圖。記憶字串10a由8個記憶胞100(1a,1)~100(8a,1)組成，其中包括第2B圖的記憶胞100(1a,1)。記憶字串10a耦接於第二訊號線BL1a。記憶字串10a產生的字串輸出電流I10a為記憶胞100(1a,1)~100(8a,1)各自的輸出電流I(1a,1)~I(8a,1)的總和。

記憶胞100(1a,1)、100(4a,1)、100(5a,1)、100(7a,1)、100(8a,1)分別經由第一訊號線VSL1a、VSL4a、VSL5a、VSL7a、VSL8a接收第一搜尋電壓VH1以輸入搜尋資料sr為「1」。另一方面，記憶胞100(2a,1)、100(3a,1)、100(6a,1)分別經由第一訊號線VSL2a、VSL3a、VSL6a接收第二搜尋電壓VH2，對應的搜尋資料sr為「0」。

並且，記憶胞100(1a,1)、100(2a,1)、100(5a,1)、100(8a,1)皆具有第一臨界電壓LVT，對應於儲存資料st為「1」。另一方面，記憶胞100(3a,1)、100(4a,1)、100(6a,1)、100(7a,1)皆具有第二臨界電壓HVT，對應於儲存資料st為「0」。

由上，記憶胞100(2a,1)、100(4a,1)、100(7a,1)發發生搜尋資料不匹配於儲存資料的狀況。其中，記憶胞100(4a,1)、100(7a,1)的不匹配的狀況為：搜尋資料sr為「1」不匹配於儲存資料st為「0」。因此，記憶胞100(4a,1)、100(7a,1)的輸出電流I(4a,1)、I(7a,1)具有第一電流值。根據記憶字串10a產生的字串輸出電流I10a可分析出記憶字串10a之中有兩個記憶胞的輸出電流具有第一電流值，據以判斷，記憶字串10a的比較結果為：不匹配之狀況(搜尋資料sr為「1」不匹配於儲存資料st為「0」)的次數為2。

以表示式「N(sr1,st0)」來表述：比較結果為「不匹配」的次數(稱為「不匹配次數」)，其中，搜尋資料sr為「1」不匹配於儲存資料st為「0」。則記憶字串10a之不匹配次數N(sr1,st0)等於2。

第4B圖為記憶裝置1000的另一個記憶字串10b對於搜尋資料sr與儲存資料st進行比較的示意圖。記憶字串10b由8個記憶胞100(1b,1)~100(8b,1)組成，其中包括第3B圖的記憶胞100(1b,1)。記憶字串10b耦接於第二訊號線BL1b。記憶字串10b產生的字串輸出電流I10b為記憶胞100(1b,1)~100(8b,1)各自的輸出電流I(1b,1)~I(8b,1)的總和。

第4B圖的記憶胞100(1b,1)~100(8b,1)的搜尋資料sr與儲存資料st的數值是相同於第4A圖的記憶胞100(1a,1)~100(8a,1)。然而，第4B圖的記憶胞100(1b,1)~100(8b,1)的搜尋電壓與臨界電壓是互補(或反向)於第4A圖的記憶胞100(1a,1)~100(8a,1)。

在第4B圖的記憶字串10b之中，記憶胞100(2b,1)、100(4b,1)、100(7b,1)發生搜尋資料與儲存資料不匹配的狀況。其中，記憶胞100(2b,1)的不匹配的狀況為：搜尋資料sr為「0」不匹配於儲存資料st為「1」。因此，記憶胞100(2b,1)的輸出電流I(2b,1)具有第一電流值。根據記憶字串10b產生的字串輸出電流I10b，可分析出記憶字串10b之中有一個記憶胞的輸出電流具有第一電流值，據以判斷，記憶字串10b之中的比較結果為：搜尋資料sr為「0」不匹配於儲存資料st為「1」，其不匹配次數為1。

以表示式「N(sr0,st1)」來表述：搜尋資料sr為「0」不匹配於儲存資料st為「1」的不匹配次數。則記憶字串10b之不匹配次數N(sr0,st1)等於1。

將第4A圖的記憶字串10a的字串輸出電流I10a與第4B圖的記憶字串10b的字串輸出電流I10b進行加總得到總電流I10t。可根據總電流I10t分析出所有的「不匹配」的比較結果，包括：搜尋資料sr為「0」不匹配於儲存資料st為「1」、以及搜尋資料sr為「1」不匹配於儲存資料st為「0」。總電流I10t的電流值越高，表示搜尋資料sr與儲存資料st的匹配的程度較高，則不匹配次數N(sr1,st0)與不匹配次數N(sr0,st1)的數量較低。總電流I10t是負相關於不匹配次數N(sr1,st0)與不匹配次數N(sr0,st1)的總和，如式(1)所示： (1)

並且，可定義記憶字串10a與記憶字串10b的搜尋字sr_w與儲存字st_w。其中，搜尋字sr_w由記憶胞100(1a,1)~100(8a,1)的搜尋資料sr所組成，即，搜尋字sr_w為八個位元的「10011011」。另一方面，儲存字st_w由記憶胞100(1a,1)~100(8a,1)的儲存資料sr所組成，即，儲存字st_w為八個位元的「11001001」。

搜尋字sr_w與儲存字st_w之間的漢明距離(Hamming Distance) HD可反映搜尋字sr_w與儲存字st_w的匹配的程度。當漢明距離HD越小時，表示搜尋字sr_w與儲存字st_w的匹配的程度越高。因此，搜尋字sr_w與儲存字st_w之間的漢明距離HD是正相關於不匹配次數N(sr1,st0)與不匹配次數N(sr0,st1)的總和，如式(2)所示： (2)

綜上所述，本揭示的記憶裝置1000進行搜尋資料sr與儲存資料st的比較時，縱使搜尋資料sr不匹配於儲存資料st，記憶胞仍可產生輸出電流(此時，輸出電流具有第一電流值)，而非完全阻斷輸出電流。因此，本揭示的記憶裝置1000對於搜尋資料sr與儲存資料st的比較可稱為「近似匹配(approximate-matching)」。

第5A圖為記憶裝置1000的記憶區塊20a對於搜尋資料sr與儲存資料st進行比較的示意圖。記憶區塊20a用於獲得「不匹配」的比較結果：搜尋資料sr為「1」不匹配於儲存資料st為「0」。

如第5A圖所示，記憶區塊20a由複數個記憶字串1a、2a、3a、…、na組成。記憶字串1a、2a、3a、…、na的每一者類似於第4A圖的記憶字串10a。當記憶字串1a、2a、3a、…、na的記憶胞具有第一臨界電壓LVT時，對應的儲存資料st為「1」，當具有第二臨界電壓HVT時，對應的儲存資料st為「0」。

記憶字串1a、2a、3a、…、na的每一者經由複數個第一訊號線VSL1a、VSL2a、VSL3a、…、VSLma接收第一搜尋電壓VH1或第二搜尋電壓VH2。第一搜尋電壓VH1對應於搜尋資料sr為「1」，第二搜尋電壓VH2對應於搜尋資料sr為「0」。

記憶字串1a儲存了m個位元的儲存字st_w。記憶字串1a的儲存字st_w之中的第3個位元、第4個位元及第m個位元的儲存資料st不匹配於第一訊號線VSL3a、VSL4a、VSLma輸入的搜尋資料sr。因此，記憶字串1a之中，第3個位元、第4個位元及第m個位元的記憶胞產生的輸出電流具有第一電流值。並且，根據記憶字串1a產生的字串輸出電流I1a的電流值降低的程度，可分析出，記憶字串1a之中的比較結果為：搜尋資料sr為「1」不匹配於儲存資料st為「0」，其不匹配次數N(sr1,st0)等於3。

類似的，記憶字串2a的儲存字st_w之中的第4個位元及第m個位元的儲存資料st不匹配於第一訊號線VSL4a、VSLma輸入的搜尋資料sr。因此，記憶字串2a之中，第4個位元及第m個位元的記憶胞產生的輸出電流具有第一電流值。根據記憶字串2a產生的字串輸出電流I2a的電流值分析出記憶字串2a的不匹配次數N(sr1,st0)等於2。

第5B圖為記憶裝置1000的另一個記憶區塊20b對於搜尋資料sr與儲存資料st進行比較的示意圖。記憶區塊20b用於獲得「不匹配」比較結果：搜尋資料sr為「0」不匹配於儲存資料st為「1」。

第5B圖的記憶區塊20b包括的記憶字串1b、2b、3b、…、nb的每一者類似於第4B圖的記憶字串10b。記憶區塊20b的記憶字串1a、2a、3a、…、na的記憶胞儲存的儲存資料st的數值相同於第5A圖的記憶區塊20a儲存的儲存資料st。並且，經由第一訊號線VSL1b、VSL2b、VSL3b、…、VSLmb輸入至記憶區塊20b的搜尋資料sr的數值亦相同於第5A圖的記憶區塊20a接收的搜尋資料sr。然而，第5B圖的記憶區塊20b的記憶胞臨界電壓與搜尋電壓與第5A圖的記憶區塊20a是互補(或反向)的。當記憶區塊20b的記憶胞具有第一臨界電壓LVT時，對應於儲存資料st為「0」，當具有第二臨界電壓HVT時，對應於儲存資料st為「1」。記憶區塊20b的記憶胞接收的第一搜尋電壓VH1對應於搜尋資料sr為「0」，第二搜尋電壓VH2對應於搜尋資料sr為「1」。

記憶區塊20b對於搜尋資料sr與儲存資料st進行比較時，記憶字串1b的儲存字st_w之中的第1個位元、第2個位元及第(m-1)個位元的儲存資料st不匹配於第一訊號線VSL1b、VSL2b、VSL(m-1)b輸入的搜尋資料sr。因此，記憶字串1b之中，第1個位元、第2位元及第(m-1)個位元的記憶胞產生的輸出電流具有第一電流值。並且，根據記憶字串1b產生的字串輸出電流I1b的電流值分析出：記憶字串1b的不匹配次數N(sr0,st1)等於3 (即，比較結果為：搜尋資料sr為「0」不匹配於儲存資料st為「1」，其次數為3)。

類似的，另一個記憶字串2b的儲存字st_w之中的第1個位元及第(m-1)個位元的儲存資料st不匹配於第一訊號線VSL1b、VSL(m-1)b輸入的搜尋資料sr。根據記憶字串2b產生的字串輸出電流I2b的電流值分析出記憶字串2b的不匹配次數N(sr0,st1)等於2。依此類推。

綜上所述，第5A圖的記憶區塊20a用於獲得「不匹配」比較結果：搜尋資料sr為「1」不匹配於儲存資料st為「0」。另一方面，第5B圖的記憶區塊20b用於獲得「不匹配」比較結果：搜尋資料sr為「0」不匹配於儲存資料st為「1」。

並且，將記憶區塊20a的記憶字串的字串輸出電流加總於記憶區塊20b的記憶字串的字串輸出電流，可分析所有的「不匹配」的比較結果，包括：搜尋資料sr為「1」不匹配於儲存資料st為「0」、以及搜尋資料sr為「0」不匹配於儲存資料st為「1」。例如，將記憶字串1a的字串輸出電流I1a加總於記憶字串1b的字串輸出電流I1b。記憶字串1a與記憶字串1b的搜尋字sr_w與儲存字st_w之間的漢明距離HD負相關於字串輸出電流I1a與字串輸出電流I1b兩者之總和。

類似的，將另一個記憶字串2a的字串輸出電流I2a加總於記憶字串2b的字串輸出電流I2b。記憶字串2a與記憶字串2b的搜尋字sr_w與儲存字st_w之間的漢明距離HD負相關於字串輸出電流I2a與字串輸出電流I2b兩者之總和。

記憶區塊20a的臨界電壓與搜尋電壓是互補(或反向)於記憶區塊20b。藉由整合記憶區塊20a與記憶區塊20b的輸出電流，可獲得所有的「不匹配」的比較結果(包括：搜尋資料sr為「1」不匹配於儲存資料st為「0」、以及搜尋資料sr為「0」不匹配於儲存資料st為「1」)。因此，本揭示的記憶裝置1000的一個記憶胞即能夠處理一個位元的搜尋資料sr與儲存資料st的比較。由上，當記憶裝置1000為3D-NAND的結構且具有m個層時，記憶裝置1000能夠處理的搜尋字sr_w的位元數(即，搜尋字sr_w的長度)相等於記憶裝置1000的層數「m」。例如，當記憶裝置1000的層數為48時(即，m=48)，可處理的搜尋字sr_w的位元數為48。當記憶裝置1000的層數分別為96、192或232時(即，m=96、192或232)，可處理的搜尋字sr_w的位元數分別為96、192或232。

在另一個比較例(圖中未顯示)之中，記憶胞並未區分為兩個群組(例如第一記憶胞及第二記憶胞)以分別處理互補(或反向)的臨界電壓及搜尋電壓。在此一比較例之中，是在同一個記憶單元設置兩個記憶胞，藉由兩個記憶胞來處理一個位元的搜尋資料sr與儲存資料st的比較。因此，此一比較例的記憶裝置的層數為m時，其能夠處理的搜尋字sr_w的長度為m/2。

相較於上述的比較例，本揭示的記憶裝置1000能夠處理的搜尋字sr_w的長度為兩倍(即，本揭示的記憶裝置1000能夠處理的搜尋字sr_w的長度為m)。

第6圖為本揭示另一實施例之記憶裝置1000-1的示意圖。在本實施例的記憶裝置1000-1中，根據記憶區塊20a與記憶區塊20b的字串輸出電流、並藉由「類比感測」方式分析IMS的比較結果。如第6圖所示，記憶區塊20a的記憶字串1a的字串輸出電流I1a與另一個記憶區塊20b的記憶字串1b的字串輸出電流I1b進行加總得到總電流I1t。而後，總電流I1t傳送至感應放大器SA1。即，傳送至感應放大器SA1之前，以類比方式將字串輸出電流I1a加總於字串輸出電流I1b。感應放大器SA1用於感應總電流I1t，並根據總電流I1t的電流值產生輸出訊號。根據感應放大器SA1的輸出訊號分析記憶字串1a與記憶字串1b執行IMS的比較結果。

當感應放大器SA1的輸出訊號反映出總電流I1t的具有高電流值時，表示記憶字串1a與記憶字串1b儲存的儲存字st_w與搜尋字sr_w的匹配的程度較高，儲存字st_w與搜尋字sr_w的漢明距離HD較小。即，對於記憶字串1a與記憶字串1b而言，搜尋資料sr為「1」不匹配於儲存資料st為「0」的不匹配次數N(sr1,st0)、以及搜尋資料sr為「0」不匹配於儲存資料st為「1」的不匹配次數N(sr0,st1)，兩者的數值較低。感應放大器SA1的輸出訊號反映的總電流I1t的電流值是負相關於不匹配次數N(sr1,st0)與不匹配次數N(sr0,st1)的總和。

另一方面，對於記憶區塊20a的第2個記憶字串2a而言，其產生的字串輸出電流I2a與另一個記憶區塊20b的記憶字串2b的字串輸出電流I2b以類比方式進行加總，以得到總電流I2t。感應放大器SA2用於感應總電流I2t，據以分析記憶字串2a與記憶字串2b執行IMS的比較結果。

類似的，第3個記憶字串3a的字串輸出電流I3a以類比方式加總於記憶字串3b的字串輸出電流I3b，以得到總電流I3t。根據感應放大器SA3感應總電流I3t，以分析記憶字串3a與記憶字串3b執行IMS的比較結果。

第7圖為本揭示又一實施例之記憶裝置1000-2的示意圖。在本實施例的記憶裝置1000-2中，根據記憶區塊20a與記憶區塊20b的字串輸出電流、並藉由「數位感測」方式分析IMS的比較結果。如第7圖所示，記憶裝置1000更包括暫存器(register) 50a、暫存器50b及暫存器60，上述暫存器皆為數位形式。記憶區塊20a的記憶字串1a、2a、…、na產生的字串輸出電流I1a、I2a、…、Ina分別傳送至感應放大器SA1a、SA2a、…、SAna。感應放大器SA1a、SA2a、…、SAna的每一者可設定閾值TH，閾值TH具有不同的位準th1、th2、…、thm。

以感應放大器SA1a為例，當字串輸出電流I1a的電流值對應於閾值TH的位準th1時，此一電流值反映出記憶字串1a的不匹配次數N(sr1,st0)等於1，表示：記憶字串1a的搜尋字sr_w與儲存字st_w的「不匹配位元數」d1a等於1。當字串輸出電流I1a的電流值對應於閾值TH的位準th2時，表示：記憶字串1a的搜尋字sr_w與儲存字st_w的不匹配位元數d1a等於2，依此類推。根據感應放大器SA1a的不同位準的閾值TH，可分析出記憶字串1a的不匹配位元數d1a。類似的，根據第2個感應放大器SA2a的不同位準的閾值TH，可分析出第2個記憶字串2a的的不匹配位元數d2a。並且，記憶區塊20a的記憶字串1a、2a、…、na各自的不匹配位元數d1a、d2a、…、dna以數位形式儲存於暫存器50a。

類似的，另一個記憶區塊20b的記憶字串1b、2b、…、nb各自的不匹配位元數d1b、d2b、…、dnb以數位形式儲存於暫存器50b。並且，暫存器50a與暫存器50b儲存的記憶字串的不匹配位元數進行加總，加總結果儲存於暫存器60。例如，記憶區塊20a的記憶字串1a的不匹配位元數d1a為2，記憶區塊20b的記憶字串1b的不匹配位元數d1b為3。記憶字串1a的不匹配位元數d1a加總於記憶字串1b的不匹配位元數d1b得到加總結果d1t為5。加總結果d1t儲存於暫存器60。

類似的，記憶字串2a的不匹配位元數d2a為5，其加總於記憶字串2b的不匹配位元數d2b為0，得到加總結果d2t為5並儲存於暫存器60。

暫存器60儲存的加總結果d1t、d2t、…、dnt表示記憶字串1b、2b、…、nb的搜尋字sr_w與儲存字st_w之間的漢明距離HD。

綜上所述，本揭示的記憶裝置1000設置單階記憶胞，較不容易發生資料讀取錯誤，因而具有較佳的可靠度。並且，記憶裝置1000能夠處理的搜尋字sr_w之長度較長。再者，本揭示的記憶裝置1000在一次的讀取操作中即能夠處理整個記憶區塊的IMS運作，具有高度平行處理的功效。

雖然本發明已以較佳實施例及範例詳細揭示如上，可理解的是，此些範例意指說明而非限制之意義。可預期的是，所屬技術領域中具有通常知識者可想到多種修改及組合，其多種修改及組合落在本發明之精神以及後附之申請專利範圍之範圍內。

1000,1000-1,1000-2:記憶裝置 100(1,1)~100(m,n),100(1a,1),100(1b,1):記憶胞 100(1a,1)~100(8a,1),100(1b,1)~100(8b,1):記憶胞 10a,10b,1a~na,1b~nb:記憶字串 20a,20b:記憶區塊 50a,50b,60:暫存器 st:儲存資料 sr:搜尋資料 BL1~BLn,BL1a,BL1b:第二訊號線 BL1a~BLna,BL1b~BLnb:第二訊號線 VSL1~VSLm,VSL1a,VLS1b:第一訊號線 VSL1a~VLS8a,VSL1b~VLS8b:第一訊號線 VSL1a~VSLma,VSL1b~VSLmb:第一訊號線 I(1a,1),I(1b,1),I1~In:輸出電流 I(1a,1)~I(8a,1),I(1b,1)~I(8b,1):輸出電流 I10a,I10b,I1a~Ina,I1b~Inb:字串輸出電流 I1t~Int:總電流 SA1~SAn,SA1a~SAna,SA1b~SAnb:感應放大器 VG:閘極電壓 LVT:第一臨界電壓 HVT:第二臨界電壓 VH1:第一搜尋電壓 VH2:第二搜尋電壓 D:汲極 S:源極 N(sr1,st0),N(sr0,st1):不匹配次數 d1a~dna,d1b~dnb:不匹配位元數 d1t~dnt:加總結果

第1圖為本揭示一實施例之記憶裝置的示意圖。 第2A圖為第一記憶胞的臨界電壓分布與對應輸入的搜尋電壓的示意圖。 第2B圖為第一記憶胞產生的輸出電流的示意圖。 第3A圖為第二記憶胞的臨界電壓分布與對應輸入的搜尋電壓的示意圖。 第3B圖為第二記憶胞產生的輸出電流的示意圖。 第4A圖為記憶裝置的記憶字串對於搜尋資料與儲存資料進行比較的示意圖。 第4B圖為記憶裝置的另一個記憶字串對於搜尋資料與儲存資料進行比較的示意圖。 第5A圖為記憶裝置的記憶區塊對於搜尋資料與儲存資料進行比較的示意圖。 第5B圖為記憶裝置的另一個記憶區塊對於搜尋資料與儲存資料進行比較的示意圖。 第6圖為本揭示另一實施例之記憶裝置的示意圖。 第7圖為本揭示又一實施例之記憶裝置的示意圖。

1000:記憶裝置

100(1,1)~100(m,n):記憶胞

st:儲存資料

sr:搜尋資料

BL1~BLn:第二訊號線

VSL1~VSLm:第一訊號線

I1~In:輸出電流

SA1~SAn:感應放大器

Claims (20)

1. 一種記憶裝置，用於執行記憶體內搜尋，該記憶裝置包括： 複數條第一訊號線，各該第一訊號線用於輸入一搜尋資料，各該第一訊號線施加一搜尋電壓，該搜尋電壓對應於該搜尋資料； 複數條第二訊號線，各該第二訊號線用於產生一輸出電流；以及 複數個記憶胞，耦接於該些第一訊號線及該些第二訊號線，各該記憶胞用於儲存一儲存資料，各該記憶胞的一臨界電壓對應於該儲存資料，該儲存資料與該搜尋資料進行比較以得到一比較結果，該輸出電流相關於該比較結果， 其中，該些記憶胞包括複數個第一記憶胞及複數個第二記憶胞，該些第一記憶胞的該儲存資料與該搜尋資料的數值相等於該些第二記憶胞的儲存資料與搜尋資料的數值，該些第一記憶胞的臨界電壓互補於該些第二記憶胞的臨界電壓，並且施加於該些第一記憶胞的搜尋電壓互補於施加於該些第二記憶胞的搜尋電壓。
2. 如請求項1所述之記憶裝置，其中，該些第一記憶胞的該臨界電壓是一第一臨界電壓或一第二臨界電壓，該第一臨界電壓對應於該儲存資料為「1」，該第二臨界電壓對應於該儲存資料為「0」，該第二臨界電壓高於該第一臨界電壓。
3. 如請求項2所述之記憶裝置，其中，當該些第一記憶胞的該臨界電壓是該第一臨界電壓和該第二臨界電壓的其中一者時，該些第二記憶胞的該臨界電壓是該第一臨界電壓和該第二臨界電壓的其中另一者。
4. 如請求項2所述之記憶裝置，其中，該些第一記憶胞被施加的該搜尋電壓是一第一搜尋電壓或一第二搜尋電壓，該第一搜尋電壓對應於該儲存資料為「1」，該第二搜尋電壓對應於該儲存資料為「0」，該第二搜尋電壓高於第一搜尋電壓。
5. 如請求項4所述之記憶裝置，其中，當該些第一記憶胞被施加的該搜尋電壓是該第一搜尋電壓和該第二搜尋電壓的其中一者時，該些第二記憶胞被施加的該搜尋電壓是該第一搜尋電壓和該第二搜尋電壓的其中另一者。
6. 如請求項4所述之記憶裝置，其中，該第一搜尋電壓高於第二臨界電壓。
7. 如請求項4所述之記憶裝置，其中： 當該些第一記憶胞的該儲存資料是「0」且該搜尋資料是「1」時，該比較結果為「不匹配」，該輸出電流具有一第一電流值；並且 當該些第二記憶胞的該儲存資料是「1」且該搜尋資料是「0」時，該比較結果為「不匹配」，該輸出電流具有該第一電流值。
8. 如請求項7所述之記憶裝置，其中，當該些第一記憶胞或該些第二記憶胞的該儲存資料是「1」且該搜尋資料是「1」時，或當該儲存資料是「0」且該搜尋資料是「0」時，該比較結果為「匹配」，該輸出電流具有一第二電流值，該第二電流值高於該第一電流值。
9. 如請求項7所述之記憶裝置，其中： 耦接於該些第二訊號線之同一者的該些第一記憶胞組成一第一記憶字串，該第一記憶字串產生一第一字串輸出電流； 耦接於該些第二訊號線之同一者的該些第二記憶胞組成一第二記憶字串，該第二記憶字串產生一第二字串輸出電流；並且 該比較結果為「不匹配」的次數是負相關於該第一字串輸出電流與該第二字串輸出電流的總和。
10. 如請求項1所述之記憶裝置，更包括： 複數個感應放大器，耦接於該些第二訊號線； 其中，該些感應放大器用於感應該輸出電流以反映該比較結果。
11. 一種記憶裝置的操作方法，用於執行記憶體內搜尋，該記憶裝置包括複數條第一訊號線、複數條第二訊號線及複數個記憶胞，該些記憶胞耦接於該些第一訊號線及該些第二訊號線，各該記憶胞用於儲存一儲存資料，各該記憶胞的一臨界電壓對應於該儲存資料，該操作方法包括： 經由各該第一訊號線施加一搜尋電壓，該搜尋電壓對應於一搜尋資料； 經由各該記憶胞對於該儲存資料與該搜尋資料進行比較以得到一比較結果；以及 經由各該第二訊號線產生一輸出電流，該輸出電流相關於該比較結果， 其中，該些記憶胞包括複數個第一記憶胞及複數個第二記憶胞，該些第一記憶胞的該儲存資料與該搜尋資料的數值相等於該些第二記憶胞的儲存資料與搜尋資料的數值，該些第一記憶胞的臨界電壓互補於該些第二記憶胞的臨界電壓，並且施加於該些第一記憶胞的搜尋電壓互補於施加於該些第二記憶胞的搜尋電壓。
12. 如請求項11所述之操作方法，其中，該些第一記憶胞的該臨界電壓是一第一臨界電壓或一第二臨界電壓，該第一臨界電壓對應於該儲存資料為「1」，該第二臨界電壓對應於該儲存資料為「0」，該第二臨界電壓高於該第一臨界電壓。
13. 如請求項12所述之操作方法，其中，當該些第一記憶胞的該臨界電壓是該第一臨界電壓和該第二臨界電壓的其中一者時，該些第二記憶胞的該臨界電壓是該第一臨界電壓和該第二臨界電壓的其中另一者。
14. 如請求項12所述之操作方法，其中，該些第一記憶胞被施加的該搜尋電壓是一第一搜尋電壓或一第二搜尋電壓，該第一搜尋電壓對應於該儲存資料為「1」，該第二搜尋電壓對應於該儲存資料為「0」，該第二搜尋電壓高於第一搜尋電壓。
15. 如請求項14所述之操作方法，其中，當該些第一記憶胞被施加的該搜尋電壓是該第一搜尋電壓和該第二搜尋電壓的其中一者時，該些第二記憶胞被施加的該搜尋電壓是該第一搜尋電壓和該第二搜尋電壓的其中另一者。
16. 如請求項14所述之操作方法，其中，該第一搜尋電壓高於第二臨界電壓。
17. 如請求項14所述之操作方法，其中： 當該些第一記憶胞的該儲存資料是「0」且該搜尋資料是「1」時，該比較結果為「不匹配」，該輸出電流具有一第一電流值；並且 當該些第二記憶胞的該儲存資料是「1」且該搜尋資料是「0」時，該比較結果為「不匹配」，該輸出電流具有該第一電流值。
18. 如請求項17所述之操作方法，其中，當該些第一記憶胞或該些第二記憶胞的該儲存資料是「1」且該搜尋資料是「1」時，或當該儲存資料是「0」且該搜尋資料是「0」時，該比較結果為「匹配」，該輸出電流具有一第二電流值，該第二電流值高於該第一電流值。
19. 如請求項17所述之操作方法，其中，耦接於該些第二訊號線之同一者的該些第一記憶胞組成一第一記憶字串，耦接於該些第二訊號線之同一者的該些第二記憶胞組成一第二記憶字串，該操作方法更包括： 經由該第一記憶字串產生一第一字串輸出電流；以及 經由該第二記憶字串產生一第二字串輸出電流， 其中，該比較結果為「不匹配」的次數是負相關於該第一字串輸出電流與該第二字串輸出電流的總和。
20. 如請求項11所述之操作方法，其中，該記憶裝置更包括複數個感應放大器，該些感應放大器耦接於該些第二訊號線，該操作方法更包括： 經由該些感應放大器感應該輸出電流以反映該比較結果。

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