基于N型和P型铁电场效应晶体管实现通用内容可寻址存储器的方法技术

本发明专利技术提供了一种基于N型和P型铁电场效应晶体管实现通用内容可寻址存储器的方法，属于新型存储与计算技术领域。本发明专利技术利用了N型FeFET和P型FeFET的互补特性，在不需要额外硬件开销的前提下可以同时实现TCAM、MACM和ACAM的功能，并且具有更加简洁的搜索操作，提高了CAM的存储密度和搜索能效，且在量化为存储多级entry状态的MCAM时，还具有压缩entry状态的能力，使其可以进一步提高CAM的存储密度，对于基于CAM的查表搜索操作具有重要意义。基于CAM的查表搜索操作具有重要意义。基于CAM的查表搜索操作具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
基于N型和P型铁电场效应晶体管实现通用内容可寻址存储器的方法


[0001]本专利技术涉及新型存储与计算
，具体涉及一种基于N型和P型铁电场效应晶体管的通用内容可寻址存储器设计。

技术介绍

[0002]内容可寻址存储器(CAM)可以高效且并行地执行搜索操作，被广泛应用在路由器、数据库搜索、存内计算以及神经形态计算等高效机器学习模型中。CAM是一种用于并行搜索的特殊类型的存储器，其除了具有常规存储器的读操作和写操作之外，还可以执行独特的搜索操作。CAM最初是用于加速网络路由器中的数据包转发和分类等相关的查表操作，由于CAM可以在一个时钟周期内完成整个搜索操作，相较于其他基于硬件或软件的搜索系统具有显著的加速效果，在CAM的基础上进一步发展了具有存储掩码“X”状态能力的三态内容可寻址存储器(TCAM)，TCAM可以实现精确匹配或者模糊匹配，提高查表效率。在大数据时代，由于CAM可以在一个搜索周期内完成输入向量(query)与所有存储向量(entry)的匹配操作，并根据不匹配程度进行基于距离度量的特征检索，在处理模式匹配、视频与图像处理等边缘端机器学习任务中具有极大的吸引力。
[0003]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，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。此外，进一步利用新兴非易失性存储器的多值存储能力设计的多值内容可寻址存储器(MCAM)和模拟内容可寻址存储器(ACAM)，不仅可以提高CAM的存储密度，还可以基于ACAM独特的范围匹配操作用于决策树、深度随机森林等更加广泛的应用场景。
[0004]但是目前基于新兴非易失性存储器的各种CAM设计所需的硬件开销不同，并且MCAM和ACAM设计需要通过额外的硬件开销实现，即通过额外的控制晶体管或者附加外围复杂电路，实现模拟或多值输入与存储范围之间的匹配操作，相应的编程以及搜索方式也更加的复杂。因此，在不需要额外硬件代价下同时实现紧凑并且操作简洁的TCAM、MCAM和ACAM设计，对于进一步提高CAM的密度并扩展功能性具有十分显著的意义。

技术实现思路

[0005]针对以上现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种基于N型和P型FeFET的通用CAM设计，利用N型FeFET和P型FeFET的互补特性，在不需要额外硬件开销的前提下可以同时实现TCAM、MACM和ACAM的功能，并且具有更加简洁的搜索操作，提高了CAM的存储密度和搜索能效，扩展了CAM的应用场景。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种基于互补FeFET实现通用CAM的方法，其特征在于，
[0008]1)CAM单元由两个并联的FeFET组成，其中一个是N型FeFET，一个是P型FeFET，两个FeFET的漏极连接作为CAM的匹配线(ML)，用于检测搜索操作中搜索query与存储entry是否匹配，两个FeFET的源极共同接地，两个FeFET的栅极在编程时分别连接两条位线，在搜索时连接同一条搜索线(SL)，用于施加与搜索query相应的搜索电压；
[0009]2)在编程CAM存储entry的阶段，分别对N型FeFET和P型FeFET的栅极施加一定的编程电压，将其编程为不同的阈值电压状态，在器件的转移特性曲线上体现为沿栅极电压平移，漏极电流最小时对应的栅极电压称为V
OFF
。对于entry 0，将两个FeFET编程为V
OFF0
状态，对于entry 1，将两个FeFET编程为V
OFF1
状态；
[0010]3)在搜索阶段，对于query 0，对SL施加电压V
SL0
＝V
OFF0
，对于query 1，对SL施加电压V
SL1
＝V
OFF1
。因此，只有当query与entry匹配时，每个CAM单元的两个FeFET都处于截止状态，具有很低的漏极电流，表示匹配；否则，会有一个FeFET处于导通状态，具有较高的漏极电流，表示不匹配。对于entry X，将P型FeFET编程为V
OFF0
状态，将N型FeFET编程为V
OFF1
状态，则对于任意搜索query，两个FeFET均为截止状态，表示匹配。
[0011]进一步，通过将所述CAM单元的两个FeFET编程为相同的多个V
OFF
状态，即可以将其量化为MCAM单元，多个V
OFF
状态代表多级分立的存储entry，量化的搜索query的V
SL
等于相应的V
OFF
。在搜索时，根据搜索query对SL施加相应的搜索电压V
SL
，只有当搜索query与存储entry一致时，V
SL
与V
OFF
相等，两个FeFET处于截止状态。进一步将MCAM单元的N型FeFET编程和P型FeFET编程为不同的V
OFF
状态，则处于两个V
OFF
状态之间的V
SL
对应的搜索query均是匹配的，进一步实现entry压缩的功能。
[0012]进一步，通过将所述CAM单元的N型FeFET和P型FeFET的阈值电压分别编程为V
THN
和V
THP
，其中V
THN
>V
THP
，即可以实现ACAM单元的功能。ACAM单元存储entry的匹配范围是[V
THP
,V
THN
]，其对应的漏极电流为I
Ref
。在搜索阶段，对SL施加一定的电压V
SL
，其大小与搜索query对应，只有当V
SL
在匹配范围之内，才可以使得ACAM单元的ML电流小于I
Ref
，表示搜索query与存储entry范围匹配。当V
SL
小于匹配范围的下边界V
THP
时，会使P型FeFET的电流大于I
Ref
，当V
SL
大于匹配范围的上边界V
THN
时，会使N型FeFET的电流大于I
Ref
，即ML的电流大于I
Ref
，表示搜索query与存储entry范围不匹配，实现ACAM单元的搜索操作。
[0013]进一步，若干个CAM单元构成阵列，每行CAM单元共享ML，根据输入query向量，同时对所有的SL端施加相应的模拟搜索电压，根据搜索query向量与存储entry向量的不同不匹配情况，每一个CAM单元会有与该位不匹配程度正相关的电流，而CAM阵列的每一行ML将本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于N型和P型铁电场效应晶体管实现通用内容可寻址存储器的方法，其步骤包括：1)内容可寻址存储器CAM单元由两个并联的FeFET组成，其中一个是N型FeFET，一个是P型FeFET，两个FeFET的漏极连接作为CAM单元的匹配线，用于检测搜索操作中搜索query与存储entry是否匹配，两个FeFET的源极共同接地，两个FeFET的栅极在编程时分别连接两条位线，在搜索时连接同一条搜索线，用于施加与搜索query相应的搜索电压；2)在编程CAM单元存储entry的阶段，分别对N型FeFET和P型FeFET的栅极施加一定的编程电压，将其编程为不同的阈值电压状态，在器件的转移特性曲线上体现为沿栅极电压平移，漏极电流最小时对应的栅极电压称为V
OFF
，对于entry 0，将两个FeFET编程为V
OFF0
状态，对于entry 1，将两个FeFET编程为V
OFF1
状态，对于entry X，将P型FeFET编程为V
OFF0
状态，将N型FeFET编程为V
OFF1
状态；3)在搜索阶段，对于query 0，对SL施加电压V
SL0
＝V
OFF0
，对于query 1，对SL施加电压V
SL1
＝V
OFF1
，当query与entry匹配时，CAM单元的两个FeFET处于截止状态，表示匹配；否则，会有一个FeFET处于导通状态，表示不匹配。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述CAM单元的两个FeFET编程为相同的多个V
OFF
状态，即实现量化为MCAM单元，多个V
OFF
状态代表多级分立的存储entry，量化的搜索query的V
SL
等于相应的V
OFF
，在搜索时，根据搜索query对SL施加相应的搜索电压V
SL
，只有当搜索query与存储entry一致时，V
SL
与V
OFF

【专利技术属性】
技术研发人员：黄芊芊，徐伟凯，黄如，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：