基于铁电场效应晶体管可编程反相器的施密特触发器

本发明涉及新型存储与计算，具体涉及一种基于铁电场效应晶体管可编程反相器的施密特触发器设计。

背景技术：

1、组合优化问题普遍存在于资源配置、量化金融、人工智能和电路设计等众多领域。这些问题通常属于非确定性多项式难题，求解所需的计算资源和时间随问题的规模增加呈指数级增长。而真实场景中的组合优化问题通常具有千万级的参数规模，基于传统冯·诺依曼计算架构需要串行式穷举解空间，找到优化解需要耗费极长甚至不可接受的时间。基于尹辛模型的新型计算系统(尹辛机)将组合优化问题映射为一组自旋的互连网络，通过自旋之间的相互作用，更新自旋使得系统能量降低到最小值，进而得到优化解，为快速高效地求解组合优化问题提供了一种有效途径。

2、尹辛机是基于尹辛模型的新型计算架构，其两个核心要素是自旋的映射以及退火机制。自旋的映射是将组合优化问题抽象为图问题(尹辛图)，尹辛图的节点表示自旋，代表待求解的变量；尹辛图的边表示自旋之间的相互作用，代表求解变量之间的两个状态，在求解过程中保持不变。退火过程是找到系统能量最低的过程，其对应的自旋状态即为优化解。尹辛机硬件系统主要包括物理尹辛机和迭代尹辛机两种，分别通过物理规律或数学方法模拟自然界的能量最小化过程。物理尹辛机通过模拟真实物理系统的自旋相互作用，利用其本征过程自发退火，主要实现方式有量子系统、光子系统以及耦合振荡器等。物理尹辛机的优势在于自发退火，求解速度快；但是需要的硬件开销较高，并且求解条件苛刻，例如量子尹辛机需要工作在超低温的条件。迭代伊辛机通过将自旋动力学抽象为哈密顿函数，通过迭代计算并更新自旋得到优化解。基于互补金属氧化物半导体(cmos)的迭代尹辛机相较于物理尹辛机具有更好的可微缩性和大规模集成能力。

3、但是迭代尹辛机在自旋更新时仍然存在以下问题：一方面，对于具有不同连接度的自旋，其更新的参考值是不同的，需要高硬件开销的数模转换器产生相应的参考值；另一方面，由于尹辛机求解组合优化问题时会陷入局部最优解，需要在求解过程中引入模拟退火，提升求解质量，目前的工作通过引入外部可控可调随机源进行模拟退火，占用较大硬件开销。

技术实现思路

1、针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于铁电场效应晶体管(fefet)可编程反相器的施密特触发器设计，可以用于产生自旋更新的参考值及其可控退火，共需要6个晶体管和一个电阻，极大地降低了硬件开销，提高了尹辛机的求解能效。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种基于fefet可编程反相器的施密特触发器，其特征在于，包括一可编程反相器fe-inv，fe-inv由n型fefet(nfefet)和p型fefet(pfefet)构成的，nfefet和pfefet的栅极连接作为fe-inv的输入端vσ’，nfefet和pfefet的漏极连接作为fe-inv的输出端vint，pfefet的源极连接电源电压vdd，nfefet的源极连接地gnd。

4、本发明施密特触发器fe-st是在fe-inv的基础上，在fe-inv的输出端vint连接一个cmos反相器的输入端，cmos反向器的输出端为vout，自旋哈密顿能量的计算电压vσ通过一个电阻与fe-inv的输入端vσ’连接，在vσ’和vout之间连接一个并联的nmosfet和pmosfet，两个mosfet的漏极和源极相连，并分别与vσ’和vout连接，nmosfet的栅极为可控退火信号vca，pmosfet的栅极为vdd-vca。当vca为0v时，两个mosfet均关断，从vσ到vout构建成一个缓冲器结构，vout的值仅取决于vσ和vs的大小关系。当vca大于0v时，从vσ到vout构建成一个施密特触发器结构，vσ从gnd上升到vdd时，输出vout也会从gnd上升到vdd，其上升翻转电压为vst+；vσ从vdd下降到gnd时，输出vout也会从vdd下降到gnd，其下降翻转电压为vst-，由于vca的作用，vst+会大于vst，即fe-st的输出随输入电压的变化关系存在一个回滞窗口，窗口的宽度为vst+-vst-，其会随着vca的增大而增大。

5、本发明施密特触发器fe-st可以实现尹辛机中自旋的更新以及可控退火过程。首先根据自旋的连接度调制铁电极化，编程fe-inv的vs为自旋更新的参考值；之后根据待求解问题的需求施加可控退火信号vca，在求解问题的初始阶段，vca为0，由于系统中存在本征噪声，使得vσ存在一定的波动，在与vs比较时，会随机地产生相反结果，使得尹辛机可以逃离局部最优解；随着迭代求解次数的增加，vca逐渐增大，使得fe-st由单个翻转电压vs变为逐渐增大的翻转窗口vs+-vs-，尹辛机系统的抗噪声能力逐渐增大，当fe-st的翻转窗口超过系统本征噪声的幅值后，系统趋于稳定，得到最终的优化解。

6、本发明提出的基于fefet的可编程反相器和施密特触发器设计，其中的铁电材料可以采用hfo2掺zr(hzo)、hfo2掺al(hfalo)等各类hfo2掺杂型铁电材料的，也可以采用钙钛矿型铁电(pzt，bfo，sbt)、铁电聚合物(p(vdf-trfe))等传统铁电材料；器件栅叠层可以基于mfmis、mfis、mfs等多种结构。

7、本发明的技术效果如下：

8、本发明提出的基于fefet可编程反相器的施密特触发器，可以实现尹辛机中具有不同连接度自旋的更新以及可控退火过程，利用铁电极化实现不同参考值的产生，利用fe-st的可调控回滞窗口结合系统的本征噪声实现可控退火，提高了尹辛机的求解能效。且本发明仅需要6个晶体管和一个电阻，相较于传统引入外部可控可调随机源进行模拟退火的方式显著降低了硬件开销。

技术特征：

1.一种基于fefet可编程反相器的施密特触发器fe-st，其特征在于，包括一可编程反相器fe-inv，fe-inv由nfefet和pfefet构成，nfefet和pfefet的栅极连接作为fe-inv的输入端vσ’，nfefet和pfefet的漏极连接作为fe-inv的输出端vint，pfefet的源极连接电源电压vdd，nfefet的源极连接地gnd，在fe-inv的输出端vint连接一个cmos反相器的输入端，cmos反向器的输出端为vout，通过一个电阻与fe-inv的输入端vσ’连接，在vσ’和vout之间连接一个并联的nmosfet和pmosfet，两个mosfet的漏极和源极相连，并分别与vσ’和vout连接，nmosfet的栅极为可控退火信号vca，pmosfet的栅极为vdd-vca，当vca为0v时，两个mosfet均关断，从vσ到vout构建成一个缓冲器结构，vout的值仅取决于vσ和vs的大小关系，当vca大于0v时，从vσ到vout构建成一个施密特触发器结构，vσ从gnd上升到vdd时，输出vout也会从gnd上升到vdd，其上升翻转电压为vst+；vσ从vdd下降到gnd时，输出vout也会从vdd下降到gnd，其下降翻转电压为vst-，由于vca的作用，vst+会大于vst，即fe-st的输出随输入电压的变化关系存在一个回滞窗口，窗口的宽度为vst+-vst-，其会随着vca的增大而增大，根据自旋的连接度调制铁电极化，编程fe-inv的vs为自旋更新的参考值之后，根据待求解问题的需求施加可控退火信号vca，在求解问题的初始阶段，vca为0，vσ存在一定的波动，在与vs比较时，会随机地产生相反结果；随着迭代求解次数的增加，vca逐渐增大，使得fe-st由单个翻转电压vs变为逐渐增大的翻转窗口vs+-vs-，尹辛机系统的抗噪声能力逐渐增大，当fe-st的翻转窗口超过本征噪声的幅值后，得到最终的优化解。

2.如权利要求1所述的基于fefet可编程反相器的施密特触发器fe-st，其特征在于，所述nfefet和pfefet的铁电材料采用具有铁电性的掺杂氧化铪材料，钙钛矿型铁电材料或聚合物铁电材料。

3.如权利要求1所述的基于fefet可编程反相器的施密特触发器fe-st，其特征在于，所述nfefet和pfefet器件的栅叠层是基于mfmis、mfis、mfs结构。

技术总结本发明公开一种基于铁电场效应晶体管可编程反相器的施密特触发器，属于新型存储与计算技术领域。本发明施密特触发器FE‑ST可以实现尹辛机中具有不同连接度自旋的更新以及可控退火过程，利用铁电极化实现不同参考值的产生，同时利用FE‑ST的可调控回滞窗口结合系统的本征噪声实现可控退火，提高了尹辛机的求解能效。且本发明仅需要6个晶体管和一个电阻，相较于传统引入外部可控可调随机源进行模拟退火的方式显著降低了硬件开销。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：2024/7/15