[发明专利]基于FeFET结构的高能效TCAM及其操作方法

说明书

本发明公开了基于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。本发明分别采用2FeFET‑1T和2FeFET‑2T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TCAM更少的面积开销和更低的能耗，并且实现了非易失性。

技术领域

本发明涉及存储领域，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。

背景技术

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。

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 effecttransistor，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。

发明内容

本发明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。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提出的第一种基于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。

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。

进一步地，ML通过单个NMOS放电。

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。

进一步地，两个FeFET的漏极传递匹配与否的信息。

本发明还提出第一种TCAM的操作方法，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。