基于铁电晶体管的片上非易失存储和非易失计算的研究

Low-power Internet-of-Things (IoT) is an active research topic and a key strategy supported by the nation. One major challenge is how to further reduce the power consumption of the IoT processors. Recently, emerging on-chip nonvolatile memories (NVM) and nonvolatile computing (NC) have become promising and intriguing, which can not only significantly reduce the static power consumption, but also enable the use of unstable power supplies efficiently. Currently, the main bottleneck that hinders their use is the relatively high energy consumption for NVM write access and nonvolatile-computing backup operations. In this proposal, we use the emerging ferroelectric field-effect transistors (FeFETs) to study energy-efficient CMOS-compatible NVM and NC techniques, based on our previous circuit designs with FeFETs. This proposal covers device modeling, critical circuit block design and prototype verification, microprocessor architecture design and optimizations, and will finally contribute to a set of FeFET-based on-chip high-efficiency NVM and NC solutions for future lower-power IoT processors.

低功耗物联网是当前热门的研究领域和国家战略方向之一。如何进一步降低物联网处理器芯片的功耗是当前面临的一大挑战。近年来，片上非易失存储器（NVM）以及非易失计算已经成为新兴的极具潜力的技术，不仅可以极大地降低芯片中存储器和计算单元的静态功耗，而且能使芯片在供电不稳定的环境中可靠地工作。当前限制它们广泛应用的主要因素是片上NVM写操作能耗过高等问题，这也使得基于它的非易失计算方案的备份和恢复操作能耗过高。本项目利用新型铁电场效应晶体管（FeFET）器件，基于前期工作中已经提出的多个片上非易失存储器和触发器设计方案，进一步研究和设计新型的与CMOS工艺兼容的低能耗片上非易失存储器以及非易失计算技术。本项目的研究内容涵盖器件建模、关键电路模块设计与原型验证、微处理器架构设计与优化等各个层次，将提出一套基于FeFET的片上集成的高效非易失存储和非易失计算方案，以实现更低功耗的物联网处理器。

低功耗物联网是当前热门的研究领域和国家战略方向之一。如何提升物联网芯片的计算和存储能力是目前面临的一大挑战。近年来，片上非易失存储器（NVM）以及非易失计算已经成为新兴的极具潜力的技术，不仅可以极大地降低芯片中存储器和计算单元的静态功耗，而且能使芯片在供电不稳定的环境中可靠地工作。同时，非易失存储器件的高存储密度有望支撑更大容量片上存储的实现。本项目关注的铁电器件具有超低写功耗和超高动态范围等特性。然而，当前限制它广泛应用的因素是工艺可靠性低、缺乏原型验证和跨层次协同设计优化。本项目研究和设计了新型兼容CMOS工艺的高能效高可靠片上非易失存储器以及非易失计算技术。本项目的研究内容涵盖器件建模、关键电路模块设计与原型验证、微处理器和加速器架构设计与优化等各个层次，已提出一套基于铁电器件的片上集成的高效非易失存储和非易失计算方案，制备了更高能效的物联网处理器原型，并为未来的进一步提升创造了新的探索空间。本项目在器件、电路、芯片和架构各个层次均产出了诸多创新性成果。在器件建模方面，本项目的工作产出了首个兼容现有电路仿真工具，且描述了多畴铁电器件的可微缩性、工艺偏差、极化翻转随机性、极化累积性的电路模型，为后续的电路和架构设计和仿真提供了重要的支撑。在电路设计层面，本项目在存储单元电路、高可靠存储和存算融合单元分别提出了一系列优化设计，在低功耗、高密度、高寿命等指标均取得了突破。在原型验证方面，本项目实现了一颗基于铁电存储器的非易失物联网芯片；本项目在电路设计基础上，通过制备器件样品验证了可靠性和性能指标。在处理器、加速器和存储架构设计与优化方面，本项目通过跨层次协同优化，在非易失处理器上实现了显著的数据吞吐率提升，在存算融合架构上本项目提出的电荷域非易失存算、直接写回存算等架构实现了更高的能效、更高精度的存算融合方案。本项目在基金委的支持下，达到了并超越了立项设定的全部目标，发表论文21篇，申请专利14项，支撑了16名学生的培养，并为非易失存储和计算提供了重要的原理与实施方案路线。