存内计算，有了新选择

内存计算 (CiM)已成为一种有吸引力的计算范例，可解决深度学习应用传统设计中的内存和电源墙问题。借助 CiM，运行深度学习算法所需的部分计算可以在内存本身中执行，从而避免在内存和处理单元之间移动大量数据。

在深度学习算法中，主要运算是权重矩阵和输入向量的矩阵向量乘法。在这些操作中，来自输入向量的激活信号乘以预编程的权重，这些权重存储在存储器元件的阵列中。输出是求和线（或位线）上所有贡献的加权和。

正在研究用于存储权重的不同类型的非易失性存储器技术。最流行的是电阻式存储器，例如电阻式 RAM (RRAM)、相变存储器 (PCM) 和磁性 RAM (MRAM)——存在两种不同电阻状态的存储器。存储元件排列成交叉阵列并将权重存储为电导。

几年前，佐治亚理工学院的研究人员开始探索在模拟 CiM 应用中使用铁电电容器 (FeCAP) 存储重量的可能性。与电阻式存储器相比， FeCAP 具有两大优势：(1) 电路显着提高了功率效率，(2)由于没有潜行电流流过电路，因此无需选择器器件。

FeCAP 类似于传统电容器，但在两个金属层（电极）之间具有铁电材料，而不是传统的介电材料。铁电材料可以存在两种电极化状态- P+ 和 P- - 可以通过外部电场反转。当该场被移除时，铁电材料保持其极化状态，从而使 FeCAP 具有非易失性特性。

如今，铪锆氧化物 ( HZO ) 因其具有缩放潜力而成为存储器应用的首选铁电材料。然而，读取HZO 基 FeCAP 偏振态的传统方案具有破坏性：它依赖于铁电材料的偏振切换，因此需要在每次读取操作后重新编程偏振态。因此，数据读取操作的最大数量（即，读取耐久性）与数据写入操作的最大数量（写入耐久性）相关联。因此，读取耐久性无法独立优化。这对于 CiM 应用程序来说是一个问题，因为它需要几乎无限的读取耐久性，而低得多的写入耐久性通常就足够了。

在2023年IEDM会议上，imec和佐治亚理工学院首次提出了一种将FeCAP的读写耐久性完全解耦的解决方案。该解决方案基于在两个电极的界面中引入不对称性。这些非对称设计的 FeCAP 器件可以被读出超过10¹¹次，而不会干扰 HZO 铁电体的极化状态。此外，在0V读取电压下获得了创纪录的8.7的电容存储窗口，代表了P+和P-态铁电体相对介电常数之间的差异。这些结果使 FeCAP 成为 CiM 应用前景广阔的技术。

非破坏性地读出具有 >10¹¹耐久性的 FeCAP 的能力部分是通过研究读出机制背后的物理原理实现的。对基本原理的基本理解也为进一步改进结果提供了坚实的基础。

与传统介电材料不同，铁电材料在施加的电场和极化电荷之间具有非线性关系，从而使铁电极化电压（PV）特性呈现磁滞回线的形式。

这种现象被用于FeCAP 的传统读取方案中。实际上，施加电压脉冲以将存储单元翻转到其相反的极化状态。当这种情况发生时，等于 P+ 和 P- 之间的差值的位移电荷被释放并被检测到。这种差异称为剩余极化(2PR )，代表记忆窗口。为了充分区分 P+ 和 P-，残余极化 2PR在存储器的整个寿命期间应尽可能高。然而，主要缺点是每次读出后都需要对单元重新编程，使得读取耐久性取决于写入耐久性。

佐治亚理工学院和imec 的研究人员采取了不同的方法。他们从不同的内存窗口概念开始。他们没有利用 P+ 和 P- 之间的差异，而是使用电容内存窗口的概念。该电容存储窗口是 FeCAP 处于 P+ 或 P- 状态时的电容状态之间的差异。它可以从 CV 测量中得出，CV 测量绘制铁电材料对施加电场的非线性电容响应（或相对介电常数 (ε R )）。

铁电电容器的 CV 曲线类似于0V 附近的对称蝴蝶曲线，如图 4 的左侧部分所示。在 0V（或零电场）下，蝴蝶曲线的正分支和负分支交叉，导致零电压电容存储窗口。但是，研究团队找到了一种通过对两个电极应用功函数差异来打开 0V 存储窗口的方法（参见图 4 的右侧部分）。经过电极的界面工程和材料堆叠的进一步优化后，在 0V 电压下可以获得高达 ~8.7 的电容存储窗口。

然而，应用准静态 CV 测量来读出 FeCAP 并不是一种电路友好的读取操作。最后一步，研究人员表明，可以通过应用基于脉冲的读取方案并读出电荷来检索相同的信息，这在内存操作中更常用。通过这种读取方案，他们在 0V DC 偏压下实现了>10¹¹ 个周期的非破坏性读取耐久性，而无需施加极化切换的电场（即矫顽场）。该方案允许读取耐久性与写入耐久性完全解耦。

目前正在进行研究，以进一步提高CiM 应用的 FeCAP 的读取耐久性和电容存储窗口。这是通过进一步设计电极的材料堆栈和功函数来实现的。通过在非零直流偏置之上施加交流读取脉冲，还可以进一步扩大电容存储器窗口。然而，在这种情况下，必须注意不要超过矫顽场。

此外，imec 的研究人员正在研究在类 DRAM FeRAM 存储器应用（嵌入式和独立式）中使用 FeCAP 和无损读出方案的可行性。然而，经典主动存储器和 CiM 类型操作之间存在一些显着差异。例如，对于主动存储器应用，除了高读取耐久性之外，还需要比 CiM 操作更高的写入耐久性。此外，在 CiM 中，在测量结果之前会累加同一位线上所有存储单元（小信号）的贡献。然而，在经典的存储器应用中，必须可靠地测量每个单独单元的状态。这对每个单独的 FeCAP 的读出信号的幅度提出了更严格的要求，需要更大的存储窗口。该团队正在探索 FeRAM 应用的规范以及如何实现它们。

对于这两种应用，预期趋势是进入第三维度以进一步增加存储密度。因此，通过可用于基于 HZO 的电容器的原子层沉积工艺， FeCAP 将从平面电容器结构转变为3D 电容器 结构。从长远来看，基于 FeCAP 的存储器可以集成在外围逻辑电路之上。所提出的工艺技术的两个特征使这成为可能。首先，如前所述，由于不存在潜行电流，因此不需要选择器器件（通常是晶体管）。这使得能够将铁电存储器嵌入逻辑电路的后端（BEOL）中。其次，制造基于 HZO 的 FeCAP（例如低温 ALD 工艺）所需的热预算低于 400°C，使得该技术完全兼容 BEOL。

imec 和佐治亚理工学院的研究人员首次证明了以非破坏性方式读取 FeCAP 的可行性，从而完全解耦读写耐久性。可以证明非破坏性读取耐久性>10¹¹，而写入耐久性约为10⁷。读出机制基于电容存储窗口的概念，可以证明该窗口的记录高值为 8.7。这些结果使 FeCAP 有希望成为 CiM 应用的候选者。此外，这些创新为探索 FeCAP 在嵌入式和独立 FeRAM 存储器应用中的潜力奠定了基础。

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