[发明专利]一种基于FeFET的非易失性低功耗乘法器及其运行方法

说明书

本发明公开了一种基于FeFET的非易失性低功耗乘法器及其运行方法，涉及适合于低功耗边缘计算的基于FeFET的顺序乘法器的设计；充分利用了FeFET的存储特性实现了全新的基于FeFET的锁存器的设计，节约了晶体管的数量，并获得了数据保存的非易失性；重新设计优化了基于FeFET的加法器的设计，作为乘法器的一部分，实现对部分积的累加操作；实现了多个非易失性的电路模块设计，满足了不稳定电源功能的边缘场景需求。该乘法器采用串行结构，结合了FeFET和CMOS的优点，在不降低性能的情况下，利用FeFET独特的结构实现了相比传统基于CMOS的乘法器更少的面积开销和更高的能效，并且实现了非易失性。

技术领域

本发明涉及物联网边缘计算芯片设计领域，尤其涉及一种基于FeFET的非易失性低功耗乘法器及其运行方法，考虑将计算功能与存储相结合的新型器件，用于边缘计算中具有非易失性的低功耗乘法器设计。

背景技术

随着物联网(IoT)技术和市场的快速发展，越来越多的计算需求从云端转移到边缘场景中。其中能量采集系统，比如太阳能供电设备，由于其能量采集的不稳定性，相较于电池供电系统，具有能源转换效率低、系统输入功率不稳定等问题，成为制约其发展的瓶颈。在这类供能受限环境中进行计算，计算过程很有可能会由于供电的间断而被迫停止。在恢复供电后，需要重新进行计算，或者需要额外的保存操作和存储设备，导致额外的操作、体积需求与能耗成本。然而，在边缘场景中进行计算通常受限于面积和功耗，因此，如何在能量采集物联网边缘设备中稳定地执行计算和基本任务，成为了目前亟待解决的重要技术难点。

为了解决这些难点，研究人员考虑如何更好地将计算单元与存储单元相结合，因此，非易失性新型存储器件已经成为近年来的研究热点。在之前的工作中已经对非易失性处理器从架构方面进行了研究，为使系统能够更有效的执行，还需从电路方面进行改进。

特别是对于能量采集系统，其供电效率低和不稳定性等特点，对非易失性处理器的电路设计提出了更加严苛的要求。一方面，这些设备在资源紧张情况下需要高能效的计算操作。另一方面，由于电源供电存在间歇性，设备在计算过程中需要能够在断电前进行数据备份，并且在恢复供电后能够快速恢复数据并继续执行之前的操作。这些需求促使我们设计一种新的电路，将计算操作和备份操作结合起来。

铁电场效应晶体管(Ferroelectric field effect transistor,FeFET)作为一种新型的非易失性存储器件，可以通过在传统CMOS的栅极上叠加铁电(Ferroelectric,FE)层构造得到。FE电容与底层晶体管电容之间的耦合导致FeFET器件具有滞回效应的特性，可以在没有供电的情况下保持逻辑‘1’和‘0’两种不同的状态，分别对应于FE层中正负两种极化状态，并且由于极化状态的不同，FeFET表现出高阻态或者低阻态。通过控制栅源电压，可以控制FeFET在两种不同的状态中进行切换。

由于FeFET独特的非易失性存储能力，近年来，研究人员将FeFET作为一个开关和非易失性存储元件，研究基于FeFET的逻辑电路设计，尽管如此，作为运算单元重要组成部分的乘法器的相关研究却很少被提出。由于乘法操作的复杂性，乘法器在运算的过程中会消耗大量的能量并且占用大量的资源，这与边缘计算中体积小功耗低的要求相冲突，使得非易失性乘法器的设计面临挑战。然而对于深度学习和信号处理算法来说，乘法操作是运算中至关重要的部分。因此，设计一个低功耗的非易失性乘法器是实现边缘设备智能化的关键。

发明内容

本发明的目的在于针对目前非易失性乘法器的相关研究的不足，提供一种基于FeFET的可用于能量采集设备的低功耗非易失性乘法器的设计方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于FeFET器件的非易失性低功耗乘法器，该乘法器是一个乘数为M比特、被乘数为N比特的乘法器，所述乘法器由N个与门、N个非易失性加法器、N个锁存器和一个M比特的寄存器组成。