一种实现静态和动态多值内容可寻址存储器的方法

本发明涉及新型存储与计算，具体涉及一种基于双栅调控的互补铁电场效应晶体管的静态和动态多值内容可寻址存储器设计。

背景技术：

1、随着人工智能和大数据技术的飞速发展，传统冯·诺依曼计算架构中存算分离所带来的瓶颈日益显现。数据在存储单元和计算单元之间的传输引发大量延迟和能耗浪费，因此对计算系统的速度和能效提出了更高要求。为解决这一问题，受到人脑运算模式启发，研究者们提出存内计算架构。这种架构实现存储和计算的高度集成和并行处理，有效提高处理复杂数据的效率，并规避传统冯·诺依曼计算架构中数据传输引起的延迟和能耗问题。其中，内容可寻址存储器(cam)作为一种新的存内计算范式，可以在一个搜索周期内能完成输入向量(query)与所有存储向量(entry)之间的匹配操作，并依据距离度量进行相似度检测。因此，cam在处理基于搜索的高效机器学习模型方面中表现出巨大吸引力，例如模式识别、无监督聚类和终身学习等。这些机器学习任务通常不仅需要cam工作在具有长时程保持特性的静态模式用于推断，还需要cam工作在具有频繁更新能力的动态模式用于训练，以及原位精度扩展以提高计算准确度和存储密度。

2、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(nvm)，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，并且没有待机功耗，非常适用于静态cam模式用于推断；但是nvm有限的写性能限制了其在需要频繁更新机器学习任务中的应用。最近，有工作提出基于嵌入式动态随机存取存储器(edram)的动态cam设计具有较高的写性能适用于频繁更新的机器学习任务，但是目前的动态cam设计仅支持二值模式，限制了训练精度；另外由于需要对刷新限制了其在频繁推断任务中的应用。综上，设计一种可以配置为静态模式和动模式，并且可以进行原位精度扩展的cam，对cam在基于存内搜索的机器学习任务中的实际应用具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种实现静态和动态多值内容可寻址存储器的方法，采用基于双栅调控的互补铁电场效应晶体管，可以工作为静态cam和动态cam的模式，并且均可以原位扩展为多值cam。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种实现静态和动态多值内容可寻址存储器的方法，其特征在于，

4、1)cam单元由核心搜索单元和动态存储单元组成，其中核心搜索单元由一个具有双栅调控的n型铁电场效应晶体管(dg-nfefet)和一个具有双栅调控的p型铁电场效应晶体管(dg-pfefet)组成，dg-nfefet和dg-pfefet可以垂直堆叠为具有双栅调制的互补铁电场效应晶体管(dg-cfefet)；dg-nfefet和dg-pfefet共享的介电栅作为动态搜索线(dl)，共享的铁电栅与动态存储单元连接，连接的漏极作为匹配线(ml)，连接的源极接地，动态存储单元由一个常规n型mosfet和一个电容(1t1c)组成，电容的一端和mosfet的源极与dg-cfefet的铁电栅连接，电容的另一端接地，mosfet的栅极作为字线(wl)，mosfet的漏极作为位线(bl)和静态搜索线(sl)；

5、2)上述cam单元可工作在静态cam模式，在编程静态entry阶段，将wl端置为高电平，dl端接地，并在bl端施加大于铁电层矫顽电压的写电压脉冲作用于dg-cfefet的铁电栅，将dg-nfefet和dg-pfefet的铁电层编程到同样的极化状态，使其阈值电压朝着同样的方向调制，在器件的转移特性曲线上体现为沿栅电压平移，漏极电流最小时对应的栅电压称为voff，代表存储不同的静态entry。基于多畴铁电的部分极化翻转，dg-cfefet的voff可以被编程为多个状态，代表多值cam的多级存储entry。在搜索阶段，将wl端置为高平，dl端接地，在sl端施加低于铁电层矫顽电压的多级搜索电压信号vsl代表多级搜索query，以非破坏地搜索。当搜索query与存储entry一致时，vsl等于voff，dg-cfefet处于关断状态，ml端的电流为很低的关态电流，表示匹配；当query与存储entry不一致时，ml端具有较高的电流，表示不匹配。

6、3)上述cam单元可以工作在动态cam模式，将dg-cfefet编程为初始极化状态作为读出管，工作为非破坏读出模式。在编程动态entry阶段，将wl端置为高电平，并在bl端施加写电压使得电容节点存储相应的电压vc，代表动态entry的存储，通过改变bl端写电压的幅度使得vc存储为不同的值代表多级动态entry的存储，然后将wl端置为低电平，使得动态entry存储在电容节点。在搜索阶段，在dl端施加相应的多级搜索电压vdl代表多级搜索query，通过检测ml端的电流判断搜索query和存储entry是否匹配。与静态cam模式相同，当搜索query与存储entry一致时，ml端为低电流表示匹配；反之，则表示不匹配。

7、进一步，dg-nfefet和dg-pfefet的双栅可以由两个分立的前栅组成，可以由一个前栅和一个背栅组成，也可以由一个前栅和体引出作为另一个等效调控栅组成，其中一个栅介质为介电，另一个栅介质为铁电。

8、本发明提出的基于双栅调控的互补铁电场效应晶体管的静态和动态多值cam，其中的铁电材料采用hfo2掺zr(hzo)、hfo2掺al(hfalo)等各类hfo2掺杂型多畴铁电材料。

9、本发明的技术效果如下：

10、1、本发明提出基于双栅调控的互补铁电场效应晶体管的静态和动态多值cam可以配置为具有非易失性的静态cam模式用于推断，以及适用于频繁更新操作的动态cam模式用于训练，相较于传统分别设计静态cam和动态cam的工作，将静态和动态模式集成到一体，使得基于cam的存内搜索系统可以应用于各种先进的机器学习任务。

11、2、本发明提出基于双栅调控的互补铁电场效应晶体管的静态和动态多值cam可以在无需额外硬件开销的前提下原位扩展为多值静态cam模式和多值动态cam模式，使得cam的密度得到提升，并且可以实现更加细粒度的距离度量，提高计算任务准确率。

12、3、本发明提出基于双栅调控的互补铁电场效应晶体管的静态和动态多值cam在两种模式下均只需要一次写操作以及一个搜索信号，相较于传统基于双分支互补支路的cam单元，需要两次写操作以及两个不同的写信号，降低了写功耗以及搜索功耗。

技术特征：

1.一种实现静态和动态多值内容可寻址存储器的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的实现静态和动态多值内容可寻址存储器的方法，其特征在于，所述dg-nfefet和dg-pfefet的双栅由两个分立的前栅组成，或者由一个前栅和一个背栅组成，或者由一个前栅和体引出作为另一个等效调控栅组成，其中一个栅介质为介电，另一个栅介质为铁电。

3.如权利要求1所述的实现静态和动态多值内容可寻址存储器的方法，其特征在于，所述dg-nfefet和dg-pfefet垂直堆叠为具有双栅调制的互补铁电场效应晶体管dg-cfefet。

4.如权利要求1所述的实现静态和动态多值内容可寻址存储器的方法，其特征在于，所述dg-nfefet和dg-pfefet中铁电材料采用hfo2掺zr(hzo)、hfo2掺al(hfalo)或各类hfo2掺杂型多畴铁电材料。

技术总结本发明公开一种实现静态和动态多值内容可寻址存储器的方法，属于新型存储与计算技术领域。本发明基于双栅调控的互补铁电场效应晶体管在无需额外硬件开销的前提下原位扩展为多值静态CAM模式和多值动态CAM模式，使得CAM的密度得到提升，并且可以实现更加细粒度的距离度量，提高计算任务准确率；且本发明在两种模式下均只需要一次写操作以及一个搜索信号，相较于传统基于双分支互补支路的CAM单元，需要两次写操作以及两个不同的写信号，降低了写功耗以及搜索功耗。技术研发人员：黄如,徐伟凯,黄芊芊受保护的技术使用者：北京大学技术研发日：技术公布日：2024/1/15