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面向存算一体芯片的模拟计算阵列中存算一体芯片的铁电NAND闪存近存计算芯片设计.docx
资料介绍
面向存算一体芯片的模拟计算阵列中存算一体芯片的铁电NAND闪存近存计算芯片设计
摘要
铁电NAND闪存（FeNAND）通过在后道工艺中集成铁电栅晶体管，实现了高密度、非易失的存储阵列，为近存计算提供了新的硬件平台。本文针对FeNAND的物理特性，设计了一种基于相位域计算的近存计算芯片，通过充电-放电交替式读取方案和极性自转换灵敏放大器电路，实现了低开销、多功能的相位域近存计算单元，支持高维度、高并行、多比特向量的近似最近邻搜索任务。在28nm工艺下，芯片的存储容量达到16Mb，峰值能效为166.8 TOPS/W，为发展大容量NAND型近存技术提供了新思路。
一、铁电NAND闪存的基本原理
1.1 FeNAND器件结构
铁电NAND闪存是在传统NAND闪存架构中引入铁电栅晶体管（FeFET）作为存储单元的新型非易失存储技术。FeFET的栅极介质采用铁电材料（如HfO₂掺杂Si或Zr），通过铁电材料的极化方向存储数据。FeNAND继承了NAND闪存的高密度优势，同时具备FeFET的快速读写（<10ns）和低功耗特性。
1.2 相位域计算原理
相位域计算是一种在时间域（而非电压域或电流域）完成运算的技术。FeNAND单元在读取时，其输出信号的相位（即从读取开始到输出达到阈值的时间）与存储的权重值相关。通过测量输出信号的相位差，可以实现乘法运算——输入数据的幅度调制相位偏移，与存储权重的相位偏移相乘，结果在时间域中表示为总相位偏移。
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