多比特内容寻址存储器单元、存储阵列及操作方法

本发明涉及器件和电路领域，实现了一种多比特内容寻址存储器单元、存储阵列及操作方法。

背景技术：

1、人工智能时代，机器学习应用、边缘设备和数据中心产生的数据呈指数增长，对底层硬件的效率提出了重要需求。其中关键操作之一是数据查询，涉及在大量存储的数据向量中搜索一个向量，这在各种机器学习和神经形态模型中都至关重要。然而，传统的冯·诺伊曼硬件面临内存墙问题，即由于内存和计算单元之间大量数据传输导致显著的数据传输开销，限制了系统整体效率。

2、为了解决这个挑战并提高效率，需求出现了对支持内存内并行关联搜索的硬件解决方案，有效消除数据传输开销。存内计算结合了计算和存储单元，为数据搜索操作提供有希望的解决方案。内容寻址存储器作为存内计算的关键基元，嵌入在内存块内实现并行搜索功能，实现快速关联搜索。内容寻址存储器已被广泛采用作为关联存储器，加速机器学习任务的推理阶段。

3、最近的研究专注于利用非易失性存储器件，如fefet、reram和stt-mram，开发更紧凑高效的内容寻址存储器设计。这些基于非易失性存储器件的内容寻址存储器设计在数据密集型工作负载下表现出更好的性能。然而，目前基于非易失性存储器件的内容寻址存储器设计局限于利用非易失性存储器件的单级单元属性，限制了内容寻址存储器密度的提高。为了克服这一限制，发展多比特内容寻址存储器成为有吸引力的研究方向。

4、为充分发挥基于非易失性存储器件的内容寻址存储器在内存中加速数据密集型工作负载的潜力，必须设计能有效解决现有工作中缺点的内容寻址存储器方案。这样的内容寻址存储器设计将带来显著更高的内容寻址存储器密度和改进的性能和能效，同时保持鲁棒性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有内容寻址存储器的不足，提出一种多比特内容寻址存储器单元、存储阵列及操作方法，本发明在存储密度、每比特面积、搜索能耗和搜索延时等指标与现在仅有的工作相比有所提升，同时达到了良好的鲁棒性。

2、本发明提供两种实现xor逻辑的多比特内容寻址存储器单元。根据阵列连接方式，以及是否搜索前进行预充电，本发明提出nor型mcam和nand型mcam。

3、一种多比特内容寻址存储器单元，该存储器单元为nor型mcam，包括基于fefet的内容寻址存储器f1和内容寻址存储器f2，以及一个n型晶体管；

4、所述内容寻址存储器f1中fefet的源极与和内容寻址存储器f2中fefet的源极连接，所述内容寻址存储器f1中fefet的漏极与和内容寻址存储器f2中fefet的漏极连接；

5、所述n型晶体管的源极接地，栅极与两个fefet的漏极连接；

6、两个所述fefet的源极皆连接至搜索电压线sl。

7、进一步地，所述存储器单元用于实现多比特输入、多比特存储、单比特输出的多输入单输出xor逻辑，所述存储器单元在搜索时，sl被编码至高电压，所述存储器单元在写入时，sl被编码至低电压。

8、本发明提供另一种多比特内容寻址存储器单元，该存储器单元为nand型mcam，包括基于fefet的内容寻址存储器f1和内容寻址存储器f2、一个n型晶体管和一个p型晶体管；

9、所述内容寻址存储器f1中fefet的源极与和内容寻址存储器f2中fefet的源极连接，所述内容寻址存储器f1中fefet的漏极与和内容寻址存储器f2中fefet的漏极连接；

10、所述n型晶体管的栅极与p型晶体管的栅极连接，两者的栅极还连接至两个fefet的漏极；

11、两个所述fefet的源极皆连接至搜索电压线sl；

12、所述n型晶体管的源极接地。

13、进一步地，所述存储器单元用于实现多比特输入、多比特存储、单比特输出的多输入单输出xor逻辑，所述存储器单元在搜索时，sl被编码至高电压，所述存储器单元在写入时，sl被编码至低电压。

14、本发明还提供一种存储阵列，包括m×n个如上所述的存储器单元，构成m个存储行和n个存储列；

15、所述存储行中所有存储器单元的n型晶体管的源极相连；

16、所述存储列中所有存储器单元的内容寻址存储器f1的栅极相连，作为输入向量对应的位线wl1，所述存储列中所有存储器单元的内容寻址存储器f2的栅极相连，作为输入向量对应的位线wl2。

17、进一步地，所述存储器单元内两个fefet通过wl1和wl2存入互补的数值，并且两个fefet还通过wl1和wl2输入互补的数值。

18、本发明还提供一种存储阵列，包括m×n个如上所述的存储器单元，构成m个存储行和n个存储列；

19、所述存储行中所有存储器单元的p型晶体管的源极与相邻存储器单元的p型晶体管的漏极相连；

20、所述存储列中所有存储器单元的内容寻址存储器f1的栅极相连，作为输入向量对应的位线wl1，所述存储列中所有存储器单元的内容寻址存储器f2的栅极相连，作为输入向量对应的位线wl2。

21、进一步地，所述存储器单元内两个fefet通过wl1和wl2存入互补的数值，并且两个fefet还通过wl1和wl2输入互补的数值。

22、上述nor型和nand型mcam组成的阵列存储多比特数值、输入多比特数值、输出二值数值。多比特存储值，是由不同宽度的电压脉冲，或不同幅度的电压，通过输入wl1以及wl2实现存入fefet。多比特输入，是由不同预定义的电压值，通过输入wl1以及wl2实现输入fefet。二值输出，等价于所述多比特输入和多比特存储值的二值xor。

23、所述二值xor具体为：对于一由n个nor型/nand型mcam单元所构成的行，每个单元的多比特存储值，完全等价于其多比特输入值，是为“匹配”。其余情况，则皆为“不匹配”。

24、进一步地，所述二值xor结果，具体反映在ml电压是否下降。“匹配”则ml电压维持；“不匹配”则ml电压下降。

25、进一步地，ml与感知放大器相连，强化所述二值xor输出电压信号。

26、本发明还提供一种如上所述的存储阵列的操作方法，该方法包括：

27、步骤一，对每个存储单元中的fefet进行写入互补值操作，sl接地，ml预充电；

28、步骤二，搜索开始时，将存储阵列中的每列对应的位线wl1和wl2置为输入向量每个元素对应的电压值，sl编码为高电压；

29、步骤三，当匹配产生时，ml电压维持高电平；或不匹配产生时，ml电压下降，至此，搜索结束。

30、进一步地，所述步骤1和步骤2中通过对fefet的栅极施加不同长度或幅度的电压脉冲，实现fefet存储和搜索不同数值。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

32、1)本发明与先前mcam相比，在存储密度、每比特面积、搜索能耗和搜索延时四大指标均有所降低；

33、2)本发明在考虑了fefet误差，晶体管误差下，仍鲁棒性佳；

34、3)本发明提出两种多比特内容寻址存储器连接结构，分别为nor型和nand型；

35、4)本发明的mcam在量化hdc应用下，与先前mcam相比，搜索能耗、搜索延时和分类准确率提高。