內(nèi)存計(jì)算 (CiM) 已成為一種有吸引力的計(jì)算范例，可解決深度學(xué)習(xí)應(yīng)用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的內(nèi)存和電源墻問(wèn)題。借助 CiM，運(yùn)行深度學(xué)習(xí)算法所需的部分計(jì)算可以在內(nèi)存本身中執(zhí)行，從而避免在內(nèi)存和處理單元之間移動(dòng)大量數(shù)據(jù)。
　　在深度學(xué)習(xí)算法中，主要運(yùn)算是權(quán)重矩陣和輸入向量的矩陣向量乘法。在這些操作中，來(lái)自輸入向量的激活信號(hào)乘以預(yù)編程的權(quán)重，這些權(quán)重存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器元件的陣列中。輸出是求和線（或位線）上所有貢獻(xiàn)的加權(quán)和。
　　正在研究用于存儲(chǔ)權(quán)重的不同類型的非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)。的是電阻式存儲(chǔ)器，例如電阻式 RAM (RRAM)、相變存儲(chǔ)器 (PCM) 和磁性 RAM (MRAM)——存在兩種不同電阻狀態(tài)的存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)元件排列成交叉陣列并將權(quán)重存儲(chǔ)為電導(dǎo)。

　　幾年前，佐治亞理工學(xué)院的研究人員開(kāi)始探索在模擬 CiM 應(yīng)用中使用鐵電電容器 (FeCAP) 存儲(chǔ)重量的可能性。與電阻式存儲(chǔ)器相比，F(xiàn)eCAP 具有兩大優(yōu)勢(shì)。首先，這些電路顯著提高了功率效率，其次，由于沒(méi)有潛行電流流經(jīng)電路，因此不需要選擇器器件。

　　圖 1原理圖展示了 CiM 交叉陣列，其中 FeCAP 用作節(jié)能的非易失性權(quán)重元件來(lái)執(zhí)行矩陣向量乘法運(yùn)算。資料佐治亞理工學(xué)院
　　需要非破壞性讀取操作
　　FeCAP 類似于傳統(tǒng)電容器，但在兩個(gè)金屬層（電極）之間具有鐵電材料，而不是傳統(tǒng)的介電材料。鐵電材料可以存在兩種電極化狀態(tài)：P+和P-，這兩種電極化狀態(tài)可以通過(guò)外部電場(chǎng)反轉(zhuǎn)。當(dāng)該場(chǎng)被移除時(shí)，鐵電材料保持其極化狀態(tài)，從而使 FeCAP 具有非易失性特性。
　　如今，鉿鋯氧化物 (HZO) 因其縮放潛力而成為存儲(chǔ)器應(yīng)用的鐵電材料。然而，讀取 HZO 基 FeCAP 偏振態(tài)的傳統(tǒng)方案具有破壞性。它依賴于鐵電材料的極化切換，因此需要在每次讀取操作后重新編程極化狀態(tài)。
　　因此，數(shù)據(jù)讀取操作的數(shù)量（讀取耐久性）與數(shù)據(jù)寫入操作的數(shù)量（寫入耐久性）相關(guān)。因此，讀取耐久性無(wú)法獨(dú)立優(yōu)化。這對(duì)于 CiM 應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗枰獛缀鯚o(wú)限的讀取耐久性，而低得多的寫入耐久性通常就足夠了。
　　在2023年IEDM會(huì)議上，佐治亞理工學(xué)院和imec首次提出了將FeCAP的讀寫耐久性完全解耦的解決方案。該解決方案基于在兩個(gè)電極的界面中引入不對(duì)稱性。
　　這些非對(duì)稱設(shè)計(jì)的 FeCAP 器件可以被讀出超過(guò) 10 11次，而不會(huì)干擾 HZO 鐵電體的極化狀態(tài)。此外，在0V讀取電壓下獲得了創(chuàng)紀(jì)錄的8.7的電容存儲(chǔ)窗口，代表了P+和P-狀態(tài)下鐵電體的相對(duì)介電常數(shù)之間的差異。這些結(jié)果使 FeCAP 成為 CiM 應(yīng)用前景廣闊的技術(shù)。
　　非破壞性讀取操作背后的機(jī)制
　　非破壞性地讀出具有 >10 11耐久性的 FeCAP 的能力部分是通過(guò)研究讀出機(jī)制背后的物理原理實(shí)現(xiàn)的。對(duì)基本原理的基本理解也為進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)果提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　與傳統(tǒng)介電材料不同，鐵電材料在施加的電場(chǎng)和極化電荷之間具有非線性關(guān)系，從而使鐵電極化電壓（PV）特性呈現(xiàn)磁滯回線的形式。

　　圖 2在本工作中使用的 FeCAP 器件的磁滯回線中，藍(lán)色曲線表示“喚醒”和打開(kāi)存儲(chǔ)窗口后器件的極化行為。imec
　　這種現(xiàn)象被用于 FeCAP 的傳統(tǒng)讀取方案中。實(shí)際上，施加電壓脈沖以將存儲(chǔ)單元翻轉(zhuǎn)到其相反的極化狀態(tài)。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，等于 P+ 和 P- 之間的差值的位移電荷被釋放并被檢測(cè)到。這種差異稱為剩余極化 (2P R )，代表記憶窗口。

　　為了充分區(qū)分 P+ 和 P-，殘余極化 2P R在存儲(chǔ)器的整個(gè)壽命期間應(yīng)盡可能高。然而，主要缺點(diǎn)是每次讀出后都需要對(duì)單元重新編程，使得讀取耐久性取決于寫入耐久性。

　　圖3在不同電場(chǎng)下測(cè)量的FeCAP器件的傳統(tǒng)讀寫耐久性中，破壞性讀取操作依賴于鐵電極化極化切換。imec

　　佐治亞理工學(xué)院和imec 的研究人員采取了不同的方法。他們從不同的內(nèi)存窗口概念開(kāi)始。他們沒(méi)有利用 P+ 和 P- 之間的差異，而是使用電容內(nèi)存窗口的概念。該電容存儲(chǔ)窗口是 FeCAP 處于 P+ 或 P- 狀態(tài)時(shí)的電容狀態(tài)之間的差異。它可以從 CV 測(cè)量中得出，CV 測(cè)量繪制鐵電材料對(duì)施加電場(chǎng)的非線性電容響應(yīng)或相對(duì)介電常數(shù) (e R )。

　　圖 4繪制了對(duì)稱 FeCAP 的蝴蝶狀介電響應(yīng)（左），顯示了在 0MV/cm 的外加電場(chǎng)下正負(fù) CV 分支的交叉，導(dǎo)致 0 MV 時(shí)的電容存儲(chǔ)窗口 = 0 /厘米。經(jīng)過(guò)功函數(shù)工程后，獲得了非對(duì)稱 FeCAP，其電容存儲(chǔ)窗口為 0 MV/cm（右）。imec

　　鐵電電容器的 CV 曲線類似于 0 V 附近的對(duì)稱蝴蝶曲線，如圖 4 的左側(cè)部分所示。在 0 V（或零電場(chǎng)）下，蝴蝶曲線的正分支和負(fù)分支交叉，導(dǎo)致零電容存儲(chǔ)窗口。然而，研究團(tuán)隊(duì)找到了一種方法，通過(guò)對(duì)兩個(gè)電極施加功函數(shù)差異來(lái)打開(kāi) 0 V 的存儲(chǔ)窗口（參見(jiàn)圖 4 的右側(cè)部分）。經(jīng)過(guò)電極的界面工程和材料堆疊的進(jìn)一步優(yōu)化后，在 0 V 下可以獲得高達(dá) ~8.7 的電容存儲(chǔ)窗口。

　　圖 5非對(duì)稱器件的 CV 響應(yīng)顯示了 0 MV/cm 時(shí)的大電容存儲(chǔ)窗口 ~8.7。imec
　　然而，應(yīng)用準(zhǔn)靜態(tài) CV 測(cè)量來(lái)讀出 FeCAP 并不是一種電路友好的讀取操作。因此，作為一步，研究人員表明，可以通過(guò)應(yīng)用基于脈沖的讀取方案并讀出電荷來(lái)檢索相同的信息，這在存儲(chǔ)器操作中更常用。
　　通過(guò)這種讀取方案，他們?cè)?0 V DC 偏壓下實(shí)現(xiàn)了 >10 11 個(gè)周期的非破壞性讀取耐久性，而無(wú)需施加極化切換的電場(chǎng)（矯頑場(chǎng)）。該方案允許讀取耐久性與寫入耐久性完全解耦。
　　邁向 3D 鐵電存儲(chǔ)器
　　目前正在進(jìn)行研究，以進(jìn)一步提高 CiM 應(yīng)用的 FeCAP 的讀取耐久性和電容存儲(chǔ)窗口。這是通過(guò)進(jìn)一步設(shè)計(jì)電極的材料堆棧和功函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)在非零直流偏置之上施加交流讀取脈沖，還可以進(jìn)一步擴(kuò)大電容存儲(chǔ)器窗口。然而，在這種情況下，必須注意不要超過(guò)矯頑場(chǎng)。
　　此外，imec 的研究人員正在研究在類 DRAM FeRAM 存儲(chǔ)器應(yīng)用（嵌入式和獨(dú)立式）中使用 FeCAP 和無(wú)損讀出方案的可行性。然而，經(jīng)典主動(dòng)存儲(chǔ)器和 CiM 類型操作之間存在一些顯著差異。例如，對(duì)于主動(dòng)存儲(chǔ)器應(yīng)用，除了高讀取耐久性之外，還需要比 CiM 操作更高的寫入耐久性。
　　此外，在 CiM 中，在測(cè)量結(jié)果之前會(huì)累加同一位線上所有存儲(chǔ)單元的小信號(hào)貢獻(xiàn)。然而，在經(jīng)典的存儲(chǔ)器應(yīng)用中，必須可靠地測(cè)量每個(gè)單獨(dú)單元的狀態(tài)。這對(duì)每個(gè)單獨(dú)的 FeCAP 的讀出信號(hào)的幅度提出了更嚴(yán)格的要求，需要更大的存儲(chǔ)窗口。imec 團(tuán)隊(duì)正在探索 FeRAM 應(yīng)用的規(guī)范以及如何實(shí)現(xiàn)它們。
　　對(duì)于這兩種應(yīng)用，預(yù)期的趨勢(shì)是進(jìn)入三維以進(jìn)一步增加存儲(chǔ)密度。因此，通過(guò)可用于基于 HZO 的電容器的原子層沉積工藝，F(xiàn)eCAP 將從平面電容器結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)?3D 電容器結(jié)構(gòu)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，基于 FeCAP 的存儲(chǔ)器可以集成在外圍邏輯電路之上。
　　所提出的工藝技術(shù)的兩個(gè)特征使這成為可能。首先，如前所述，由于不存在潛行電流，因此不需要選擇器器件（通常是晶體管）。這使得能夠?qū)㈣F電存儲(chǔ)器嵌入邏輯電路的后端（BEOL）中。其次，制造基于 HZO 的 FeCAP（例如低溫 ALD 工藝）所需的熱預(yù)算低于 400°C，使得該技術(shù)完全兼容 BEOL。
　　FeCAP 在 FeRAM 中的潛力
　　佐治亞理工學(xué)院和imec的研究人員首次證明了以非破壞性方式讀取FeCAP的可行性，從而完全解耦讀寫耐久性?？梢宰C明>10 11的非破壞性讀取耐久性，而寫入耐久性約為10 7。
　　讀出機(jī)制基于電容存儲(chǔ)窗口的概念，可以證明該窗口的記錄高值為 8.7。這些結(jié)果使 FeCAP 有希望成為 CiM 應(yīng)用的候選者。此外，這些創(chuàng)新為探索 FeCAP 在嵌入式和獨(dú)立 FeRAM 內(nèi)存應(yīng)用中的潛力奠定了基礎(chǔ)。