基于FeFET结构的高能效TCAM及其操作方法技术

本发明专利技术公开了基于FeFET结构的高能效TCAM及其操作方法，涉及适合于低功耗高性能的基于FeFET的存储器的设计；充分利用了FeFET的存储特性实现了全新的基于2FeFET结构的TCAM单元的设计，节约了晶体管的数量，降低了搜索能耗，并获得了数据保存的非易失性。本发明专利技术分别采用2FeFET

【技术实现步骤摘要】
基于FeFET结构的高能效TCAM及其操作方法


[0001]本专利技术涉及存储领域，尤其涉及基于FeFET结构的高能效TCAM及其操作方法，考虑运用2FeFET这一结构，用于具有非易失性的低功耗高性能TCAM设计。

技术介绍

[0002]在大数据时代，各种数据密集型应用要求高效、并行的数据分析操作来取代传统数字机器中的顺序、时间和能耗操作，这一需求在搜索功能方面尤为突出。三态内容寻址内存(Ternary content addressable memory，TCAM)支持在给定输入向量的存储内存阵列上进行并行搜索，是解决处理器内存瓶颈挑战的潜在解决方案。由于具有内容寻址和完全并行的特性，TCAM在神经形态计算、IP路由器和内存数据处理等许多领域都得到了应用。
[0003]虽然基于标准CMOS技术的传统TCAM早就被提出，但是随着CMOS技术扩展到物理极限，传统的TCAM具有较大的面积开销和电流泄露等缺点越来越凸显。而新兴的非易失性存储器(NVMs)如双端电阻RAM(ReRAM)和铁电场效应晶体管(Ferroelectric field effect transistor，FeFET)等器件可以用逻辑“0”/“1”来表示他们的高/低阻状态，从而实现更紧凑的TCAM设计。由于这种基于非易失性存储器的TCAM设计非常有前景，目前的许多工作都致力于设计出面积更小、能耗更低、延迟更低的TCAM单元。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对目前已有的TCAM能耗较高，性能不够好的问题，提供两种基于2FeFET结构的TCAM设计，实现更低的能耗及延迟。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]本专利技术提出的第一种基于FeFET结构的高能效TCAM，具体为：每个TCAM单元由2FeFET结构和NMOS构成；所述2FeFET结构中两个FeFET器件源极分别与搜索线SL1和SL2相连，栅极分别与字线WL1和WL2相连，漏极与NMOS栅极D相连，NMOS漏极与匹配线ML相连，每行TCAM单元匹配线相连。
[0007]进一步地，阵列的每一列共享同一条纵向的SL1和SL2，ML每根通过PMOS接到VDD，同时接反相放大器作为输出。
[0008]进一步地，ML通过单个NMOS放电。
[0009]进一步地，通过对栅极的操作对FeFET进行三种类型的存储：1，0和don't care。
[0010]进一步地，两个FeFET的漏极传递匹配与否的信息。
[0011]本专利技术还提出第一种TCAM的操作方法，该方法包括：
[0012]在阵列开始工作前，对每个单元进行数据存储，即将信息编码为二进制序列后，通过WL1和WL2对2FeFET结构进行写入；
[0013]对于每次搜索周期，分为预充电阶段和搜索阶段；
[0014]预充电阶段：先将SL1和SL2置0，WL1和WL2置1，使得D充分放电到0，再为ML充电至高电平；
[0015]搜索阶段：保持WL1和WL2的电压不变，关断ML的充电，将SL1和SL2置为搜索的电压情况，此时，对于匹配的单元，D为0，ML不会通过NMOS放电，对于不匹配的单元，D为1，ML通过NMOS放电；等待一段时间后，放电过程结束，观测每一行反相放大器的输出，若为1，说明此行ML有放电，该行不匹配；若为0，说明此行ML未放电，该行匹配。
[0016]本专利技术提出的第二种基于FeFET结构的高能效TCAM，具体为：每个TCAM单元由2FeFET结构和反相器结构构成；所述2FeFET结构中两个FeFET器件源极分别与搜索线SL1和SL2相连，栅极分别与字线WL1和WL2相连，漏极与反相器结构输入相连，反相器结构的电源线与上一个TCAM单元的匹配线相连，反相器结构输出与本单元匹配线相连，每行所有TCAM单元串联连接匹配线，每行第一个单元的反相器结构的电源线与供电VDD相连。
[0017]进一步地，所述反相器结构由一个PMOS和一个NMOS构成；每一行末尾单元的输出经过反相放大器作为最终输出，每一列共享同一条纵向的SL1和SL2。
[0018]进一步地，ML通过反相器结构放电。
[0019]进一步地，通过对栅极的操作对FeFET进行三种类型的存储：1，0和don't care。
[0020]进一步地，两个FeFET的漏极传递匹配与否的信息。
[0021]本专利技术还提出第二种TCAM的操作方法，该方法包括：
[0022]在阵列开始工作前，对每个单元进行数据存储，即将信息编码为二进制序列后，通过WL1和WL2对2FeFET结构进行写入；
[0023]对于每次搜索周期，将WL1和WL2置1，SL1和SL2置为搜索的电压情况，保持第一个单元反相器的电源线接供电VDD；匹配的单元会给其后一个单元的ML充电，而不匹配的单元会导致其后面所有单元的ML均为低电平；等待一段时间后，所有单元ML的电平情况传递到末端反相放大器，观察反相放大器的输出，若为1，该行至少有一个单元的输出ML为低电平，说明该行不匹配；若为0，该行所有TCAM单元的输出ML为高电平，说明该行匹配。
[0024]本专利技术的有益效果如下：
[0025]本专利技术中的两种TCAM设计可以实现能耗的节省和延迟的降低。
[0026](1)对于2FeFET
‑
1T的TCAM设计，在阵列中，每个TCAM单元仅有一个NMOS连接到匹配线ML上，降低了ML电容，进而降低了预充电能耗。并且由于ML电容的降低和ML与地面之间的电阻降低，由2FeFET
‑
1T的TCAM设计组成的阵列比现有的TCAM设计有更小的搜索延迟。由于本设计的器件数目较少，TCAM的面积较小，可以带来生产成本的降低。
[0027](2)对于2FeFET
‑
2T的TCAM设计，与默认的TCAM不同，这种TCAM在每次搜索前不需要对ML进行预充电操作，因此可以有效的降低能耗。并且相对于其他的不需要预充电类型的TCAM，由于2FeFET结构的优越性，搜索延迟有很大的降低。由于本设计的器件数目较少，TCAM的面积较小，可以带来生产成本的降低。
附图说明
[0028]图1是2FeFET
‑
1T的TCAM单元(a)及其组成阵列(b)结构图；
[0029]图2是2FeFET
‑
2T的TCAM单元(a)及其组成阵列(b)结构图；
[0030]图3是2FeFET
‑
1T的TCAM设计的仿真波形；
[0031]图4是2FeFET
‑
2T的TCAM设计的仿真波形；
[0032]图5是对2FeFET
‑
1T的TCAM阵列进行仿真采用的数据。
[0033]图6是对2FeFET
‑
2T的TCAM阵列进行仿真采用的数据。
具体实施方式
[0034]下面结合附本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FeFET结构的高能效TCAM，其特征在于，每个TCAM单元由2FeFET结构和NMOS构成；所述2FeFET结构中两个FeFET器件源极分别与搜索线SL1和SL2相连，栅极分别与字线WL1和WL2相连，漏极与NMOS栅极D相连，NMOS漏极与匹配线ML相连，每行TCAM单元匹配线相连。2.根据权利要求1所述的一种基于FeFET结构的高能效TCAM，其特征在于，ML通过单个NMOS放电。3.根据权利要求1所述的一种基于FeFET结构的高能效TCAM，其特征在于，阵列的每一列共享同一条纵向的SL1和SL2，ML每根通过PMOS接到VDD，同时接反相放大器作为输出。4.一种权利要求1
‑
3任一项所述TCAM的操作方法，其特征在于，该方法包括：在阵列开始工作前，对每个单元进行数据存储，即将信息编码为二进制序列后，通过WL1和WL2对2FeFET结构进行写入；对于每次搜索周期，分为预充电阶段和搜索阶段；预充电阶段：先将SL1和SL2置0，WL1和WL2置1，使得D充分放电到0，再为ML充电至高电平；搜索阶段：保持WL1和WL2的电压不变，关断ML的充电，将SL1和SL2置为搜索的电压情况，此时，对于匹配的单元，D为0，ML不会通过NMOS放电，对于不匹配的单元，D为1，ML通过NMOS放电；等待一段时间后，放电过程结束，观测每一行反相放大器的输出，若为1，说明此行ML有放电，该行不匹配；若为0，说明此行ML未放电，该行匹配。5.一种基于FeFET结构的高能效TCAM，其特征在于，每个TCAM单元由2FeFET结构和反相器结构构成；所述2FeFET结构中两个FeFET器件源极分别与搜索线SL1和SL2相连，栅极分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹勋钊，范圳浩，钱煜，望浩然，李超，卓成，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：