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　　开首：内容由半导体行业不雅察（ID：icbank）编译自imec，谢谢。

　　内存测度 (CiM)已成为一种有眩惑力的测度表率，可惩办深度学习应用传统设想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测度不错在内存本人中履行，从而幸免在内存和处理单位之间挪动无数数据。

　　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。输出是乞降线（或位线）上通盘孝敬的加权和。

　　正在商榷用于存储权重的不同类型的非易失性存储器期间。最流行的是电阻式存储器，举例电阻式 RAM (RRAM)、相变存储器 (PCM) 和磁性 RAM (MRAM)——存在两种不同电阻景象的存储器。存储元件胪列成交叉阵列并将权重存储为电导。

　　几年前，佐治亚理工学院的商榷东谈主员运行探索在模拟 CiM 应用中使用铁电电容器 (FeCAP) 存储分量的可能性。与电阻式存储器比拟， FeCAP 具有两大上风：(1) 电路表现进步了功率规则，(2)由于莫得潜行电流流过电路，因此无需遴荐器器件。

　　需要非驾驭性读取操作

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　　FeCAP 一样于传统电容器，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。铁电材料不错存在两种电极化景象- P+ 和 P- - 不错通过外部电场回转。当该场被移除时，铁电材料保握其极化景象，从而使 FeCAP 具有非易失性特色。

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　　如今，铪锆氧化物 ( HZO ) 因其具有缩放后劲而成为存储器应用的首选铁电材料。可是，读取HZO 基 FeCAP 偏振态的传统有打算具有驾驭性：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再行编程偏振态。因此，数据读取操作的最大数目（即，读取长久性）与数据写入操作的最大数目（写入长久性）揣测联。因此，读取长久性无法孤苦优化。这关于 CiM 应用设施来说是一个问题，因为它需要险些无穷的读取长久性，而低得多的写入长久性往往就富裕了。

　　FeCAP 具有 >10 11无损读取长久性和 ~8.7 电容存储窗口（0V 时）

　　在2023年IEDM会议上，imec和佐治亚理工学院初度建议了一种将FeCAP的读写长久性透顶解耦的惩办有打算。该惩办有打算基于在两个电极的界面中引入不合称性。这些非对称设想的 FeCAP 器件不错被读出跨越1011次，而不会侵犯 HZO 铁电体的极化景象。此外，在0V读取电压下赢得了创记录的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相反。这些规则使 FeCAP 成为 CiM 应用远景广漠的期间。

　　非驾驭性读取操作背后的机制

　　非驾驭性地读出具有 >1011长久性的 FeCAP 的本事部分是通过商榷读出机制背后的物理旨趣终了的。对基答允趣的基本邻接也为进一步矫正规则提供了坚实的基础。

　　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干系，从而使铁电极化电压（PV）特色呈现磁滞回线的样式。

　　这种景色被用于FeCAP 的传统读取有打算中。实质上，施加电压脉冲以将存储单位翻转到其相背的极化景象。当这种情况发生时，即是 P+ 和 P- 之间的差值的位移电荷被开释并被检测到。这种相反称为剩余极化(2PR )，代表追念窗口。为了充分分离 P+ 和 P-，残余极化 2PR在存储器的通盘这个词寿命时候应尽可能高。可是，BetSafe主要污点是每次读出后齐需要对单位再行编程，使得读取长久性取决于写入长久性。

　　佐治亚理工学院和imec 的商榷东谈主员给与了不同的当作。他们从不同的内存窗口意见运行。他们莫得应用 P+ 和 P- 之间的相反，而是使用电容内存窗口的意见。该电容存储窗口是 FeCAP 处于 P+ 或 P- 景象时的电容景象之间的相反。它不错从 CV 测量中得出，CV 测量绘图铁电材料对施加电场的非线性电容反应（或相对介电常数 (ε R )）。

　　铁电电容器的 CV 弧线一样于0V 隔邻的对称蝴蝶弧线，如图 4 的左侧部分所示。在 0V（或零电场）下，蝴蝶弧线的正分支和负分支交叉，导致零电压电容存储窗口。但是，商榷团队找到了一种通过对两个电极应发愤函数相反来掀开 0V 存储窗口的当作（参见图 4 的右侧部分）。历程电极的界面工程和材料堆叠的进一步优化后，在 0V 电压下不错赢得高达 ~8.7 的电容存储窗口。

　　可是，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。终末一步，商榷东谈主员标明，不错通过应用基于脉冲的读取有打算并读出电荷来检索交流的信息，这在内存操作中更常用。通过这种读取有打算，他们在 0V DC 偏压下终表现>1011 个周期的非驾驭性读取长久性，而无需施加极化切换的电场（即矫顽场）。该有打算允许读取长久性与写入长久性透顶解耦。

　　瞻望：将应用范畴拓展至FeRAM；迈向3D铁电存储器

　　现在正在进行商榷，以进一步进步CiM 应用的 FeCAP 的读取长久性和电容存储窗口。这是通过进一步设想电极的材料堆栈和功函数来终了的。通过在非零直流偏置之上施加交流读取脉冲，还不错进一步扩大电容存储器窗口。可是，在这种情况下，必须防备不要跨越矫顽场。

　　此外，imec 的商榷东谈主员正在商榷在类 DRAM FeRAM 存储器应用（镶嵌式和孤苦式）中使用 FeCAP 和无损读出有打算的可行性。可是，经典主动存储器和 CiM 类型操作之间存在一些表现相反。举例，关于主动存储器应用，除了高读取长久性以外，还需要比 CiM 操作更高的写入长久性。此外，在 CiM 中，在测量规则之前会累加并吞位线上通盘存储单位（小信号）的孝敬。可是，在经典的存储器应用中，必须可靠地测量每个单独单位的景象。这对每个单独的 FeCAP 的读出信号的幅度建议了更严格的条目，需要更大的存储窗口。该团队正在探索 FeRAM 应用的范例以及如何终了它们。

　　关于这两种应用，预期趋势是插足第三维度以进一步加多存储密度。因此，通过可用于基于 HZO 的电容器的原子层千里积工艺， FeCAP 将从平面电容器结构转机为3D 电容器 结构。从弥远来看，基于 FeCAP 的存储器不错集成在外围逻辑电路之上。所建议的工艺期间的两个特征使这成为可能。率先，如前所述，由于不存在潜行电流，因此不需要遴荐器器件（往往是晶体管）。这使得大略将铁电存储器镶嵌逻辑电路的后端（BEOL）中。其次，制造基于 HZO 的 FeCAP（举例低温 ALD 工艺）所需的热预算低于 400°C，使得该期间透顶兼容 BEOL。

　　imec 和佐治亚理工学院的商榷东谈主员初度诠释注解了以非驾驭性形式读取 FeCAP 的可行性，从而透顶解耦读写长久性。不错诠释注解非驾驭性读取长久性>1011，而写入长久性约为107。读出机制基于电容存储窗口的意见，不错诠释注解该窗口的记录高值为 8.7。这些规则使 FeCAP 有但愿成为 CiM 应用的候选者。此外，这些立异为探索 FeCAP 在镶嵌式和孤苦 FeRAM 存储器应用中的后劲奠定了基础。

　　https://www.imec-int.com/en/articles/non-destructive-readout-mechanism-ferroelectric-capacitors-0

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