本文來(lái)自微信公眾號(hào)“半導(dǎo)體行業(yè)觀察”。
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)。最流行的是電阻式存儲(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)：(1)電路顯著提高了功率效率，(2)由于沒(méi)有潛行電流流過(guò)電路，因此無(wú)需選擇器器件。
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--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)因其具有縮放潛力而成為存儲(chǔ)器應(yīng)用的首選鐵電材料。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偏振切換，因此需要在每次讀取操作后重新編程偏振態(tài)。因此，數(shù)據(jù)讀取操作的最大數(shù)量（即，讀取耐久性）與數(shù)據(jù)寫(xiě)入操作的最大數(shù)量（寫(xiě)入耐久性）相關(guān)聯(lián)。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(xiě)入耐久性通常就足夠了。
FeCAP具有＞10 11無(wú)損讀取耐久性和~8.7電容存儲(chǔ)窗口（0V時(shí)）
在2023年IEDM會(huì)議上，imec和佐治亞理工學(xué)院首次提出了一種將FeCAP的讀寫(xiě)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)1011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-態(tài)鐵電體相對(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>1011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。
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(2PR)，代表記憶窗口。為了充分區(qū)分P+和P-，殘余極化2PR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(xiě)入耐久性。
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)(εR)）。
鐵電電容器的CV曲線類似于0V附近的對(duì)稱蝴蝶曲線，如圖4的左側(cè)部分所示。在0V（或零電場(chǎng)）下，蝴蝶曲線的正分支和負(fù)分支交叉，導(dǎo)致零電壓電容存儲(chǔ)窗口。但是，研究團(tuán)隊(duì)找到了一種通過(guò)對(duì)兩個(gè)電極應(yīng)用功函數(shù)差異來(lái)打開(kāi)0V存儲(chǔ)窗口的方法（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0V電壓下可以獲得高達(dá)~8.7的電容存儲(chǔ)窗口。
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。最后一步，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，這在內(nèi)存操作中更常用。通過(guò)這種讀取方案，他們?cè)?V DC偏壓下實(shí)現(xiàn)了>1011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)（即矯頑場(chǎng)）。該方案允許讀取耐久性與寫(xiě)入耐久性完全解耦。
展望：將應(yīng)用領(lǐng)域拓展至FeRAM；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(xiě)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（小信號(hào)）的貢獻(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。該團(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)期趨勢(shì)是進(jìn)入第三維度以進(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)?D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。
imec和佐治亞理工學(xué)院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(xiě)耐久性?？梢宰C明非破壞性讀取耐久性>1011，而寫(xiě)入耐久性約為107。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存儲(chǔ)器應(yīng)用中的潛力奠定了基礎(chǔ)。
