非易失静态随机存取存储器
1.本公开涉及存储技术领域，尤其涉及一种非易失静态随机存取存储器。
背景技术：
2.在物联网应用中，边缘设备的续航和能耗成为产品的重要衡量指标。一方面，出于对节能的需求，设备可以在非使用情景下处于断电状态，从而减少漏电带来的能量损耗；另一方面，在特定的运行环境下，设备的外部功供能处于不稳定的条件，存在定期断电的可能性。此外，由于面向人工智能、神经网络训练等智能存算的物联网芯片需要对端侧产生的大量数据进行存储与计算，数据在片上计算单元和片下存储单元之间的搬运消耗大量能量，这使得寻求片上存储解决方案成为研究的重点。
3.片上本地备份的非易失静态随机存取存储器(non-volatile sram，简称nvsram)电路，可以实现掉电前将存储数据备份，并在重新恢复供电时自动重载进行数据重载功能，保障重要数据掉电不丢失，有效地解决了物联网应用场景下面临的能耗挑战。
4.位于片上的非易失静态随机存取存储器阵列主要由非易失静态随机存取单元组成。每个单元由两部分组成：静态随机存取单元(sram)和非易失存储单元，两个部分通过电气连接的方式形成一个整体单元。在设备供电情况从上电到掉电的过程中，静态随机存取单元的数据通过备份，存储在非易失存储单元中；反之，在设备供电情况从掉电到上电的过程中，非易失存储单元将掉电前备份的数据重载到静态随机存取单元中。
5.基于不同器件的非易失静态随机存取存储电路设计，以不同的方案和机理实现了就近备份和重载功能。例如：基于rram的非易失静态随机存储电路设计(参考论文a.lee,meng.chang,c.lin,c.chen,m.ho,c.kuo et al.,"rram-based 7t1r nonvolatile sram with 2x reduction in store energy and 94x reduction in restore energy for frequent-off instant-on applications,"2015symposium on vlsi circuits(vlsi circuits),2015,pp.c76-c77.)、基于stt-ram的非易失静态随机存取存储电路设计(参考论文w.kang,w.lv,y.zhang and w.zhao,"low store power high-speed high-density nonvolatile sram design with spin hall effect-driven magnetic tunnel junctions,"in ieee transactions on nanotechnology,vol.16,no.1,pp.148-154,jan.2017)、基于pcram的非易失静态随机存取存储电路设计(参考论文h.-.p.wong,s.raoux,s.kim,j.liang,j.reifenberg,b.rajendran et al.,"phase change memory,"in proceedings of the ieee,vol.98,no.12,pp.2201-2227,dec.2010)等等。
6.基于不同器件的非易失静态随机存取存储阵列，具备不同的性质和性能表现。相对于以上的新型非易失存储器件，铁电晶体管具有低功耗，高开关比，与传统cmos工艺具有良好的集成性等优势，基于铁电晶体管的非易失静态随机存取存储电路具有更好的读写性能。
7.基于铁电晶体管的非易失静态随机存取存储阵列已有一些设计，新型设计的基于铁电晶体管的低单元面积开销、高可靠性、低功耗的非易失静态随机存取存储器，单位面积
具有更高的数据容量，为物联网芯片设计提供了一种高密度的安全存储方案。论文x.li et al.,"enabling energy-efficient nonvolatile computing with negative capacitance fet,"in ieee transactions on electron devices,vol.64,no.8,pp.3452-3458,aug.2017,doi:10.1109/ted.2017.2716338，需要额外8个晶体管实现电路的备份功能，引起较大的面积开销；论文x.li,k.ma,s.george,w.khwa,j.sampson,s.gupta et al.,“design of nonvolatile sram with ferroelectric fets for energy-efficient backup and restore,”ieee transactions on electron devices,vol.64,no.7,pp.3037
–
3040,2017，其中基于铁电晶体管的非易失静态随机存取存储阵列设计，实现电路断电时的数据备份以及上电时的重载功能。此设计需要额外增加4个晶体管。
8.可见，相关技术中已有备份电路设计，存在晶体管开销冗余、单元的面积开销较大、阵列的存储密度较低等问题。
技术实现要素：
9.根据本公开的一方面，提供了一种非易失静态随机存取存储器，所述存储器包括：
10.多个存储模块，每个存储模块均包括开关单元、存储单元及备份重载单元，所述开关单元连接于所述存储单元及所述备份重载单元，所述备份重载单元连接于所述存储单元，其中：所述存储单元用于执行静态随机存取操作，以存取数据；所述备份重载单元包括两个晶体管、且其中一个晶体管为铁电场效应晶体管，所述备份重载单元用于在所述存储器掉电时执行数据备份操作，以利用所述铁电场效应晶体管的极化特性备份所述存储单元中的数据，并在所述存储器上电时执行数据重载操作，以将所述备份重载单元中的数据写入所述存储单元；
11.控制模块，连接于各个存储模块，用于控制所述开关单元、所述备份重载单元中的晶体管，以执行所述静态随机存取操作、所述数据备份操作、所述数据重载操作的至少一种。
12.在一种可能的实施方式中，所述控制所述开关单元、所述备份重载单元中的晶体管，以执行所述静态随机存取操作、所述数据备份操作、所述数据重载操作的至少一种，包括：
13.控制所述备份重载单元中的铁电场效应晶体管的栅极电压为预设电压，控制所述备份重载单元中的另一晶体管为关断状态，控制所述存储单元正常供电，通过所述开关单元对所述存储单元执行所述静态随机存取操作。
14.在一种可能的实施方式中，所述控制所述开关单元、所述备份重载单元中的晶体管，以执行所述静态随机存取操作、所述数据备份操作、所述数据重载操作的至少一种，包括：
15.控制所述铁电场效应晶体管的栅极电压为预设电压，控制所述备份重载单元中的另一晶体管为关断状态，控制所述备份重载单元中的另一晶体管的源极为低电平；
16.控制所述铁电场效应晶体管的栅极电压在低电平及高电平分别保持一段时间，再控制所述铁电场效应晶体管的栅极电压为所述预设电压，以执行所述数据备份操作。
17.在一种可能的实施方式中，所述控制所述开关单元、所述备份重载单元中的晶体管，以执行所述静态随机存取操作、所述数据备份操作、所述数据重载操作的至少一种，包
括：
18.控制所述铁电场效应晶体管的栅极电压为预设电压，控制所述备份重载单元中的另一晶体管为导通状态，控制所述备份重载单元中的另一晶体管的源极为高电平；
19.依次打开所述存储单元的反相器的电源，以执行所述数据重载操作。
20.在一种可能的实施方式中，各个存储模块还包括第一位线、第二位线、第一字线、第二字线、第三字线和第四字线，所述开关单元包括第一晶体管、第二晶体管，所述备份重载单元包括第三晶体管、第四晶体管，所述第三晶体管为铁电场效应晶体管，所述存储单元包括第一反相器、第二反相器，其中，
21.所述第一晶体管的漏极与所述第一位线相连，所述第一晶体管的栅极与所述第一字线相连，所述第一晶体管的源极与所述第一反相器的输入端和所述第二反相器的输出端相连；
22.所述第二晶体管的漏极与所述第二位线相连，所述第二晶体管的栅极与所述第一字线相连，所述第二晶体管的源极与所述第一反相器的输出端、所述第二反相器的输入端和所述第三晶体管的漏极相连；
23.所述第三晶体管为铁电晶体管，所述第三晶体管的栅极与所述第二字线相连，所述第三晶体管的源极与所述第四晶体管的漏极相连，所述第三晶体管的漏极与所述第一反相器的输出端、所述第二反相器的输入端和所述第二晶体管的源极相连；
24.所述第四晶体管的栅极与所述第三字线相连，所述第四晶体管的源极与所述第四字线相连，所述第四晶体管的漏极与所述第三晶体管的源极相连。
25.在一种可能的实施方式中，所述控制所述开关单元、所述备份重载单元中的晶体管，以执行所述静态随机存取操作、所述数据备份操作、所述数据重载操作的至少一种，包括：
26.通过所述第二字线控制所述第三晶体管的栅极电压为预设电压，通过所述第三字线控制所述第四晶体管为关断状态，控制所述存储单元正常供电，通过所述第一字线、所述第一位线、所述第二位线控制所述开关单元对所述存储单元执行所述静态随机存取操作。
27.在一种可能的实施方式中，所述控制所述开关单元、所述备份重载单元中的晶体管，以执行所述静态随机存取操作、所述数据备份操作、所述数据重载操作的至少一种，包括：
28.通过所述第二字线控制所述第三晶体管的栅极电压为预设电压，通过所述第三字线控制所述第四晶体管为关断状态，通过所述第四字线控制所述第四晶体管的源极为低电平；
29.通过所述第二字线控制所述第三晶体管的栅极电压在低电平及高电平分别保持一段时间，再通过所述第二字线控制所述第三晶体管的栅极电压为所述预设电压，以执行所述数据备份操作。
30.在一种可能的实施方式中，所述控制所述开关单元、所述备份重载单元中的晶体管，以执行所述静态随机存取操作、所述数据备份操作、所述数据重载操作的至少一种，包括：
31.通过所述第二字线控制控制所述第三晶体管的栅极电压为预设电压，通过所述第三字线控制所述第四晶体管为导通状态，通过所述第四字线控制所述第四晶体管的源极为
高电平；
32.依次打开所述第二反相器的电源和第一反相器的电源，以执行所述数据重载操作。
33.在一种可能的实施方式中，所述预设电压小于或等于所述存储器的电源电压的一半。
34.在一种可能的实施方式中，各个存储模块通过电气连接的方式组合成至少一行至少一列的布局方式，其中，同一行的存储模块的第一字线相连、第二字线相连、第三字线相连、第四字线相连，同一列的存储模块的第一位线相连、第二位线相连。
35.在一种可能的实施方式中，所述控制模块包括字线驱动电路、位线驱动电路，其中，所述字线驱动电路用于驱动各个存储模块的第一字线、第二字线、第三字线和第四字线；所述位线驱动电路用于驱动各个存储模块的第一位线和第二位线。
36.本公开实施例的非易失静态随机存取存储器，包括多个存储模块，每个存储模块均包括开关单元、存储单元及备份重载单元，存储单元用于执行静态随机存取操作，以存取数据；所述备份重载单元包括两个晶体管、且其中一个晶体管为铁电场效应晶体管，所述备份重载单元用于在所述存储器掉电时执行数据备份操作，以利用所述铁电场效应晶体管的极化特性备份所述存储单元中的数据，并在所述存储器上电时执行数据重载操作，以将所述备份重载单元中的数据写入所述存储单元，通过两个晶体管实现备份重载单元，相较于相关技术至少采用四个晶体管的方式，可以降低晶体管开销，减少存储模块的面积开销，提高存储密度，并可达到飞焦级别的功耗。
37.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，而非限制本公开。根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
38.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，这些附图示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于说明本公开的技术方案。
39.图1a示出了根据本公开实施例的非易失静态随机存取存储器的示意图。
40.图1b示出了备份重载单元的备份及重载的时序图。
41.图2a示出了铁电场效应晶体管的电路符号示意图，图2b示出了铁电场效应晶体管的电路结构示意图。
42.图2c示出了铁电场效应晶体管漏源电流-栅源电压特性曲线随极化状态变化的示意图。
43.图3示出了根据本公开实施例的存储模块110的电路结构示意图。
44.图4示出了根据本公开实施例的非易失静态随机存取存储器的示意图。
45.图5a及图5b示出了本公开实施的存储器进行备份操作的示意图。
46.图6a、图6b示出了本公开实施例的存储器进行数据重载的示意图。
47.图7示出了本公开实施例进行备份数据和重载数据的仿真波形图。
48.图8示出了本公开实施例的存储器中第三晶体管的铁电层厚度与备份时间的关系示意图及电源电压与备份重载能量的示意图。
49.图9a示出了相关技术与本公开实施例备份重载能量的比较示意图，图9b示出了相关技术与本公开的存储器的工作频率与归一化备份能量的关系示意图。
50.图10示出了本公开实施例的存储器与相关技术的面积比较示意图。
具体实施方式
51.以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
52.在本公开的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
53.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
54.在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
55.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
56.本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中术语“至少一种”表示多种中的任意一种或多种中的至少两种的任意组合，例如，包括a、b、c中的至少一种，可以表示包括从a、b和c构成的集合中选择的任意一个或多个元素。
57.另外，为了更好地说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
58.请参阅图1a，图1a示出了根据本公开实施例的非易失静态随机存取存储器的示意图。
59.请参阅图1b，图1b示出了备份重载单元的备份及重载的时序图。
60.如图1a所示，所述存储器包括：
61.多个存储模块110，每个存储模块110均包括开关单元1110、存储单元1120及备份重载单元1130，所述开关单元1110连接于所述存储单元1120及所述备份重载单元1130，所述备份重载单元1130连接于所述存储单元1120，其中：所述存储单元1120用于执行静态随机存取操作，以存取数据；所述备份重载单元1130包括两个晶体管、且其中一个晶体管为铁
电场效应晶体管，所述备份重载单元1130用于在所述存储器掉电时执行数据备份操作，以利用所述铁电场效应晶体管的极化特性备份所述存储单元1120中的数据，并在所述存储器上电时执行数据重载操作，以将所述备份重载单元1130中的数据写入所述存储单元1120(如图1b所示)；
62.控制模块20，连接于各个存储模块110，用于控制所述开关单元1110、所述备份重载单元1130中的晶体管，以执行所述静态随机存取操作、所述数据备份操作、所述数据重载操作的至少一种。
63.本公开实施例的非易失静态随机存取存储器，包括多个存储模块，每个存储模块均包括开关单元、存储单元及备份重载单元，存储单元用于执行静态随机存取操作，以存取数据；所述备份重载单元包括两个晶体管、且其中一个晶体管为铁电场效应晶体管，所述备份重载单元用于在所述存储器掉电时执行数据备份操作，以利用所述铁电场效应晶体管的极化特性备份所述存储单元中的数据，并在所述存储器上电时执行数据重载操作，以将所述备份重载单元中的数据写入所述存储单元，通过两个晶体管实现备份重载单元，相较于相关技术至少采用四个晶体管的方式，可以降低晶体管开销，减少存储模块的面积开销，提高存储密度，并可达到飞焦级别的功耗。
64.本公开实施例对控制模块20的具体实现方式不做限定，本领域技术人员可以根据实际情况及需要设置，在一个示例中，控制模块20可以包括处理组件，处理组件包括但不限于单独的处理器，或者分立元器件，或者处理器与分立元器件的组合。所述处理器可以包括电子设备中具有执行指令功能的控制器，所述处理器可以按任何适当的方式实现，例如，被一个或多个应用专用集成电路(asic)、数字信号处理器(dsp)、数字信号处理设备(dspd)、可编程逻辑器件(pld)、现场可编程门阵列(fpga)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现。在所述处理器内部，可以通过逻辑门、开关、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等硬件电路执行所述可执行指令。
65.首先铁电场效应晶体管进行示例性介绍，铁电场效应晶体管也就是铁电介质栅极场效应晶体管(mfsfet，metal-ferroelectric-semiconductor fet)，也可以称作铁电晶体管fefet，这是在mosfet的基础上，把栅极sio2绝缘材料更换为高介电常数的铁电材料和/或其他金属材料。
66.请参阅图2a、图2b，图2a示出了铁电场效应晶体管的电路符号示意图，图2b示出了铁电场效应晶体管的电路结构示意图。
67.在一个示例中，如图2a所示，类似传统的mosfet器件，铁电晶体管是三端口元件，包含栅极、源极、漏极，通过栅极集成铁电层实现非易失性存储。通过在栅源之间施加合适的电压偏置，铁电层正/负极化在模拟层面上表现为不同的阈值电压高低，在数字层面上，体现逻辑信息0/1存储，关于铁电场效应晶体管存储数据的介绍可参考论文m.trentzsch et al.,"a 28nm hkmg super low power embedded nvm technology based on ferroelectric fets,"2016ieee international electron devices meeting(iedm),2016,pp.11.5.1-11.5.4,doi:10.1109/iedm.2016.7838397。
68.在一个示例中，如图2b所示，fefet本质上是场效应晶体管(fet)，其具有夹着额外铁电(fe)电容器的增强栅极堆叠，在栅极与衬底之间可以包括铁电层、可选的金属层，替换
一般的mosfet中的二氧化硅绝缘层。目前的铁电场效应晶体管有采用基于hfo2的zr掺杂材料，基于此，fefet已经表现出与先进cmos工艺的兼容性，低至几纳米。另外，fefet能够在低至2v以下操作，更增加了fefet的应用范围。
69.请参阅图2c，图2c示出了铁电场效应晶体管漏源电流-栅源电压特性曲线随极化状态变化的示意图。
70.在一个示例中，如图2c所示，由于铁电非易失性，fefet的阈值电压vt可重新配置，由于铁(fe)电容器性质，阈值电压vt调谐不消耗dc功率，并且，fefet还具有超高的导通-截止比。示例性的，本公开实施例提出的nvsram中，铁电晶体管可以采用n型fefet。虽然fefet可以表现出多个阈值电压vt(并且因此表现出多个id-vgs曲线)，但是其操作以简化的二进制方式：正vt状态和负vt状态。在正vt状态下，晶体管被视为关断；在负vt状态下，晶体管被视为导通。为了从正vt状态切换到负vt状态，需要超过矫顽电压的正v
gs
。类似地，通过施加超过负矫顽电压的负v
gs
来触发从负vt状态到正vt状态的转变。矫顽电压可以通过fe厚度(tfe)和与内部栅极电容匹配的fe电容来调节。示例性的，当tfe从8nm上升到12nm时，矫顽电压从0.4v上升到0.75v。当v
gs
在下降沿或上升沿时，fefet将分别进入负vt状态或正vt状态。当v
gs
在矫顽电压范围内时，fefet极化状态不改变，因此对于正vt和负vt，fefet分别以高的漏极到源极沟道电阻或低的漏极到源极沟道电阻操作。
71.在一个示例中，如图2c所示，n型fefet的v
gs
最大为vdd/2。
72.本公开实施例对控制模块20、存储单元1120、开关单元1110、备份重载单元1130的具体实现方式不做限定，本领域技术人员可以根据实际情况及需要设置，只要使得备份重载单元1130包括一个fefet、一个晶体管，控制模块20能够控制所述开关单元1110、所述备份重载单元1130中的晶体管，以执行所述静态随机存取操作、所述数据备份操作、所述数据重载操作的至少一种即可。
73.在一种可能的实施方式中，所述控制所述开关单元1110、所述备份重载单元1130中的晶体管，以执行所述静态随机存取操作、所述数据备份操作、所述数据重载操作的至少一种，可以包括：
74.控制所述备份重载单元1130中的铁电场效应晶体管的栅极电压为预设电压，控制所述备份重载单元1130中的另一晶体管为关断状态，控制所述存储单元1120正常供电，通过所述开关单元1110对所述存储单元1120执行所述静态随机存取操作。
75.示例性的，所述预设电压小于或等于所述存储器的电源电压的一半(vdd/2)，为最小化施加到铁电晶体管的栅极堆叠中的fe层的电压应力，本公开实施例可以设置所述预设电压等于所述存储器的电源电压的一半。
76.示例性的，所述另一晶体管可以为n型mosfet，在该种情况下，控制模块20可以输出低电平电压到另一晶体管的栅极以控制所述备份重载单元1130中的另一晶体管为关断状态。
77.本公开实施例控制所述备份重载单元1130中的铁电场效应晶体管的栅极电压为预设电压，控制所述备份重载单元1130中的另一晶体管为关断状态，控制所述存储单元1120正常供电，以实现通过所述开关单元1110对所述存储单元1120执行所述静态随机存取操作。
78.在一种可能的实施方式中，所述控制所述开关单元1110、所述备份重载单元1130
中的晶体管，以执行所述静态随机存取操作、所述数据备份操作、所述数据重载操作的至少一种，可以包括：
79.控制所述铁电场效应晶体管的栅极电压为预设电压，控制所述备份重载单元1130中的另一晶体管为关断状态，控制所述备份重载单元1130中的另一晶体管的源极为低电平；
80.控制所述铁电场效应晶体管的栅极电压在低电平及高电平分别保持一段时间(可以相同也可以不同，为便于控制优选可以设置为相同)，再控制所述铁电场效应晶体管的栅极电压为所述预设电压，以执行所述数据备份操作。
81.本公开实施例通过控制所述铁电场效应晶体管的栅极电压为预设电压，控制所述备份重载单元1130中的另一晶体管为关断状态，控制所述备份重载单元1130中的另一晶体管的源极为低电平；控制所述铁电场效应晶体管的栅极电压在低电平及高电平分别保持一段时间，再控制所述铁电场效应晶体管的栅极电压为所述预设电压，以执行所述数据备份操作。
82.在一种可能的实施方式中，所述控制所述开关单元1110、所述备份重载单元1130中的晶体管，以执行所述静态随机存取操作、所述数据备份操作、所述数据重载操作的至少一种，可以包括：
83.控制所述铁电场效应晶体管的栅极电压为预设电压，控制所述备份重载单元1130中的另一晶体管为导通状态，控制所述备份重载单元1130中的另一晶体管的源极为高电平；
84.依次打开所述存储单元1120的反相器的电源，以执行所述数据重载操作，示例性的，若存储单元1120包括第一反相器inv1、第二反相器inv2，则依次打开所述存储单元1120的第二反相器inv2的电源和第一反相器inv1的电源，以执行所述数据重载操作。
85.本公开实施例通过控制所述铁电场效应晶体管的栅极电压为预设电压，控制所述备份重载单元1130中的另一晶体管为导通状态，控制所述备份重载单元1130中的另一晶体管的源极为高电平；依次打开所述存储单元1120的反相器的电源，以执行所述数据重载操作。
86.下面对存储模块110的可能实现方式进行示例性介绍。
87.请参阅图3，图3示出了根据本公开实施例的存储模块110的电路结构示意图。
88.在一种可能的实施方式中，如图3所示，各个存储模块110还包括第一位线bl1、第二位线blb1、第一字线w1、第二字线b1、第三字线r1和第四字线c1，所述开关单元1110包括第一晶体管t1、第二晶体管t2，所述备份重载单元1130包括第三晶体管t3、第四晶体管t4，所述第三晶体管t3为铁电场效应晶体管，所述存储单元1120包括第一反相器inv1、第二反相器inv2，其中，
89.所述第一晶体管t1的漏极与所述第一位线bl1相连，所述第一晶体管t1的栅极与所述第一字线w1相连，所述第一晶体管t1的源极与所述第一反相器inv1的输入端和所述第二反相器inv2的输出端相连；
90.所述第二晶体管t2的漏极与所述第二位线blb1相连，所述第二晶体管t2的栅极与所述第一字线w1相连，所述第二晶体管t2的源极与所述第一反相器inv1的输出端、所述第二反相器inv2的输入端和所述第三晶体管t3的漏极相连；
91.所述第三晶体管t3为铁电晶体管，所述第三晶体管t3的栅极与所述第二字线b1相连，所述第三晶体管t3的源极与所述第四晶体管t4的漏极相连，所述第三晶体管t3的漏极与所述第一反相器inv1的输出端、所述第二反相器inv2的输入端和所述第二晶体管t2的源极相连；
92.所述第四晶体管t4的栅极与所述第三字线r1相连，所述第四晶体管t4的源极与所述第四字线c1相连，所述第四晶体管t4的漏极与所述第三晶体管t3的源极相连。
93.本公开实施例的备份重载单元1130仅需1个fefet和1个晶体管实现，相较于相关技术中至少采用4个晶体管的方式，可以降低晶体管开销，减少存储模块110的面积开销，提高存储密度。
94.需要说明的是，如图3所示，在存储模块中，第一晶体管t1和第二晶体管t2相当于开关，只有第一字线w1设置为特定电平使得第一晶体管t1、第二晶体管t2导通，第一位线bl1和q点才有可能导通，第二位线blb1和qn点之间才有可能导通；第三晶体管t3是铁电晶体管，通过铁电层的极化状态的正反来存储单比特信息；第四晶体管t4相当于开关，只有第三字线r1设置为特定电平时，第四字线c1和第三晶体管t3的源极才有可能导通。第一字线w1的作用为通过控制其电平取值，控制第一晶体管t1和第二晶体管t2的导通和关断；第二字线b1通常置于某预设电压(在本例中，预设电压为高电平对应电压的一半vdd/2。此电平值可以维持铁电晶体管t3阈值电压不变)，以使第三晶体管t3的导通状态由其铁电层的极化状态决定，而在需要写入时可控制第二字线b1置于高电平或接地，将存储单元1120上电平高低的状态转移到铁电层的极化状态上；第三字线r1的作用为通过控制高低电平，控制第四晶体管t4的导通和关断；第四字线c1的作用为在数据重载的过程中，通过置为高电平，根据第三晶体管t3的由于铁电层极化状态导致的导通或关断状态，决定qn点的电位，从而将铁电层的极化状态重载至存储单元1120中。
95.具体地，在后续本例中，第一晶体管t1、第二晶体管t2、第四晶体管t4均采用nmos晶体管为例子。当栅极电压为高电平时，上述晶体管导通；当栅极电压为低电平时，上述晶体管关断。在本例中，第三晶体管t3采用n型铁电晶体管。在本例中，高电平为电源电压vdd，低电平为接地零电压gnd。本例以前述具体实现方式举例，目的是更好地说明本发明的工作流程和原理，并不意味所举例的实现方式为唯一实现方式。
96.本发明实施例不失一般性地选择如下的状态映射方式：第三晶体管t3的铁电层正向极化而显示低阻导通的状态映射为“0”，反之为“1”；第一位线bl1对地电压为零的状态映射为“0”，高电平的状态映射为“1”。以下讨论以上述状态映射方式为标准。
97.请参阅图4，图4示出了根据本公开实施例的非易失静态随机存取存储器的示意图。
98.在一种可能的实施方式中，如图4所示，各个存储模块110通过电气连接的方式组合成至少一行至少一列的布局方式，其中，同一行的存储模块110的第一字线w1相连、第二字线b1相连、第三字线r1相连、第四字线c1相连，同一列的存储模块110的第一位线bl1相连、第二位线blb1相连。
99.在一种可能的实施方式中，如图4所示，所述控制模块20可以包括字线驱动电路、位线驱动电路，其中，所述字线驱动电路用于驱动各个存储模块的第一字线w1、第二字线b1、第三字线r1和第四字线c1；所述位线驱动电路用于驱动各个存储模块的第一位线bl1和
第二位线blb1。
100.下面以图3、图4所示的存储模块110的电路结构为例对控制模块20控制所述开关单元1110、所述备份重载单元1130中的晶体管，以执行所述静态随机存取操作、所述数据备份操作、所述数据重载操作的至少一种的可能实现方式进行示例性介绍。
101.在一种可能的实施方式中，所述控制所述开关单元1110、所述备份重载单元1130中的晶体管，以执行所述静态随机存取操作、所述数据备份操作、所述数据重载操作的至少一种，可以包括：
102.通过所述第二字线b1控制所述第三晶体管t3的栅极电压为预设电压，通过所述第三字线r1控制所述第四晶体管t4为关断状态，控制所述存储单元1120正常供电，通过所述第一字线w1、所述第一位线bl1、所述第二位线blb1控制所述开关单元1110对所述存储单元1120执行所述静态随机存取操作。
103.示例性的，执行所述静态随机存取操作时，通过所述第二字线b1控制所述第三晶体管t3的栅极电压为预设电压，通过所述第三字线r1控制所述第四晶体管t4为关断状态(第四晶体管t4的栅极电压和源极电压保持在gnd)，控制所述存储单元1120正常供电(两个电源电压vdda和vddb保持在vdd)，结果，第四晶体管t4被关断，并且备份重载单元1130处于高电阻关断状态，因此，备份重载单元1130不影响存储单元1120。示例性的，在sram模式(执行所述静态随机存取操作)中，需要优化fefet的电源电压和偏置电压，即第三晶体管t3的栅极电压(fefet的最大v
gs
是vdd/2，如图2c所示)。在该过程中，第三晶体管t3的栅极电压可以被设置为～vdd/2，以便最小化施加到栅极堆叠中的fe层的电压应力。本领域技术人员可以选择优选的电源电压vdd，并且可以基于铁电层厚度tfe和fe电容器与栅极电容器之间的电容器匹配来相应地设计fefet极化切换滞后(如滞后窗口宽度)，对此，本公开实施例不做限定。
104.在一种可能的实施方式中，所述控制所述开关单元1110、所述备份重载单元1130中的晶体管，以执行所述静态随机存取操作、所述数据备份操作、所述数据重载操作的至少一种，可以包括：
105.通过所述第二字线b1控制所述第三晶体管t3的栅极电压为预设电压，通过所述第三字线r1控制所述第四晶体管t4为关断状态，通过所述第四字线c1控制所述第四晶体管t4的源极为低电平；
106.通过所述第二字线b1控制所述第三晶体管t3的栅极电压在低电平及高电平分别保持一段时间，再通过所述第二字线b1控制所述第三晶体管t3的栅极电压为所述预设电压，以执行所述数据备份操作。
107.请参阅图5a及图5b，图5a及图5b示出了本公开实施的存储器进行备份操作的示意图。
108.示例性的，在对存储单元1120内所存储的数据备份至单元内的铁电晶体管的极化状态内时，首先将第二字线b1设置为预设电位(在本例中为vdd/2)；通过设置第三字线r1的电平(在本例中为gnd，即0电平)，使得第四晶体管t4处于关断状态；第四字线c1设置为低电平(在本例中为gnd，即0电平)。其次，将第二字线b1分别在低电位(在本例中为gnd，即0电平)和高电位(在本例中为vdd，即电源电压)保持一段时间，再重新设置为预设电位。存储单元1120存储的数据通过铁电晶体管的极化状态存储。通过这一过程将静态随机存储器中的
逻辑数据值以极化的方式写入到铁电晶体管中。此过程中，通过设置第三字线r1的电平使第四晶体管t4关断并使第四字线c1保持为低电平，从而避免直流电流的功耗。
109.在该数据备份操作中，本公开实施例第三字线r1、第四字线c1保持在低电平gnd以避免dc功耗，并通过将第一字线w1设置为gnd来关断开关单元1110的第一晶体管t1、第二晶体管t2，第二字线b1最初设置为vdd/2。
110.示例性的，如图5a及图5b所示，当备份操作开始时，首先在步骤1中将第二字线b1设置为gnd，随后在步骤2中将第二字线b1设置为vdd，然后返回到其原始值即预设电压vdd/2。
111.示例性的，如图5a及图5b，有两种数据备份情况：'0'备份和'1'备份，位
‘0’
和位
‘1’
的备份发生在不同的步骤(步骤-1或步骤-2)。
112.在一个示例中，如图5a所示，如果q和qn分别等于“1”(vdd)和“0”(gnd)，则将第二字线b1降低到gnd使得fefet的v
gs
为零，从而使得步骤1中的第三晶体管t3没有极化状态变化。接下来，在步骤2中，将第二字线b1升高到vdd使得fefet的v
gs
为vdd，这触发内部fe层处的超矫顽电压。因此，fefet可以被极化到具有负vt的正极化状态，从而导致低漏极-源极沟道电阻。
113.在一个示例中，如图5b所示，如果q和qn分别等于“0”(gnd)和“1”(vdd)，则在步骤1中将第二字线b1降低到gnd使得fefet的v
gs
为-vdd，其超过负矫顽电压。因此，fefet将以正vt被极化为负，导致高漏极源沟道电阻。接下来，在步骤2中，将第二字线b1升高到vdd导致零v
gs
并且没有fefet极化状态变化。
114.在这两个步骤之后，将第二字线b1返回到预设电压vdd/2，并且数据备份操作结束。
115.在一种可能的实施方式中，所述控制所述开关单元1110、所述备份重载单元1130中的晶体管，以执行所述静态随机存取操作、所述数据备份操作、所述数据重载操作的至少一种，可以包括：
116.通过所述第二字线b1控制控制所述第三晶体管t3的栅极电压为预设电压，通过所述第三字线r1控制所述第四晶体管t4为导通状态，通过所述第四字线c1控制所述第四晶体管t4的源极为高电平；
117.依次打开所述第二反相器inv2的电源和第一反相器inv1的电源，以执行所述数据重载操作。
118.请参阅图6a、图6b，图6a、图6b示出了本公开实施例的存储器进行数据重载的示意图。
119.在一个示例，如图6a、图6b所示，首先设置第二字线b1为预设电压(在本例中为高电平对应电压的一半vdd/2)，并设置第三字线r1为高电平(在本例中为vdd，即电源电压)，设置第四字线c1为高电平。其次，依次打开第二反相器inv2i2和第一反相器inv1i1的电源，即可实现数据的重载操作。
120.在一个示例，如图6a、图6b所示，第三字线r1和第四字线c1最初保持在vdd，并且第二字线b1保持在vdd/2。在恢复操作开始之前，存储单元1120中的第一反相器inv1、第二反相器inv2的两个电源(分别对应vdda和vddb)都接地。如图6a、图6b所示，在步骤1中，如果fefet(第三晶体管t3)已经被设置为具有负vt的正极化，则第四字线c1的vdd电压可以通过
第三晶体管t3和第四晶体管t4到达节点qn，导致将qn充电到vdd-vt。否则，由于先前的断电阶段，qn将保持在gnd。在步骤2中，vddb导通施加到第二反相器inv2，而vdda保持接地，结果，q由vddb供电的第二反相器inv2驱动。在步骤3中，vdda也被接通，并且两个反相器形成稳定回路。
121.请参阅图7，图7示出了本公开实施例进行备份数据和重载数据的仿真波形图。
122.其中，图7是在铁电层厚度(tfe)为9nm、动能系数(kinetic coefficient,ρ)为0.01、电源电压(vdd)为0.9v的基础上仿真得到的。
123.示例性的，如图7所示，以图7中(1)对应的备份“1”为例，q和qn分别等于“1”(vdd)和“0”(gnd)，此时vdda、vddb均为高电平，储能单元处于正常开启状态，通过将第二字线b1先降低到gnd使得fefet的v
gs
为零，从而使得第三晶体管t3没有极化状态变化(保持为低电平)。接下来，将第二字线b1升高到vdd使得fefet的v
gs
为vdd，这触发内部fe层处的超矫顽电压。因此，fefet可以被极化到具有负vt的正极化状态(变为高电平)，从而导致低漏极-源极沟道电阻，在此过程中，第三字线r1、第四字线c1均为低电平，在此过程中，第三字线r1、第四字线c1均为低电平。
124.示例性的，如图7所示，以图7中(4)对应的备份“0”为例，q和qn分别等于“0”(gnd)和“1”(vdd)，此时vdda、vddb均为高电平，储能单元处于正常开启状态，首先在步骤1中将第二字线b1降低到gnd使得fefet的v
gs
为-vdd，其超过负矫顽电压。因此，fefet将以正vt被极化为负，导致高漏极源沟道电阻。接下来，在步骤2中，将第二字线b1升高到vdd导致零v
gs
并且没有fefet极化状态变化(第三晶体管t3的极化状态一直为-vp状态)。
125.示例性的，如图7所示，以图7中(3)对应的重载恢复为例，在恢复操作开始之前，存储单元1120中的第一反相器inv1、第二反相器inv2的两个电源(分别对应vdda和vddb)都接地(低电平)，首先设置第二字线b1为预设电压(在本例中为高电平对应电压的一半vdd/2)，并设置第三字线r1为高电平(在本例中为vdd，即电源电压)，设置第四字线c1为高电平。其次，依次打开第二反相器inv2i2和第一反相器inv1i1的电源(先将vddb设置为高电平，然后将vdda设置为高电平)，即可实现数据的重载操作，图7中恢复(5)与此相似，在此不做赘述。
126.请参阅图8，图8示出了本公开实施例的存储器中第三晶体管的铁电层厚度与备份时间的关系示意图及电源电压与备份重载能量的示意图。
127.示例性的，如图8所示，通过增加铁电层厚度可以减少备份时间，增加vdd有助于减少极化切换时间，当然可能损害fefet器件寿命，并可能以及消耗更高的备份重载能量，因此通过以上关系示意图可以实现不同的vdd在耐久性和备份时间之间应用权衡。
128.请参阅图9a、图9b，图9a、图9b示出了本公开实施例的存储器与相关技术中的存储器的性能比较示意图。
129.其中，7t1r、rram表示a.lee的工作，4t2mtj表示t.ohsawa的工作，10t表示x.li的工作。
130.其中，x.li的工作是指x.li等人提出的基于铁电晶体管的非易失静态随机存取存储器(参考x.li,k.ma,s.george,w.khwa,j.sampson,s.gupta et al.,“design of nonvolatile sram with ferroelectric fets for energy-efficient backup and restore,”ieee transactions on electron devices,vol.64,no.7,pp.3037
–
3040,2017)，a.lee的工作是是指a.lee等人提出的基于忆阻器的非易失静态随机存取存储器(参
考a.lee,meng.chang,c.lin,c.chen,m.ho,c.kuo et al.,"rram-based 7t1r nonvolatile sram with 2x reduction in store energy and 94x reduction in restore energy for frequent-off instant-on applications,"2015symposium on vlsi circuits(vlsi circuits),2015,pp.c76-c77)，t.ohsawa的工作是指t.ohsawa等人提出的非易失静态随机存取存储器(参考论文t.ohsawa,h.koike,s.miura,h.honjo,k.kinoshita,s.ikeda et al.,“a 1mb nonvolatile embedded memory using4t2mtj cell with 32b fine-grained power gating scheme,”ieee journal of solid-state circuits,vol.48,no.6,pp.1511
–
1520,2013)。
131.其中，图9a示出了相关技术与本公开实施例备份重载能量的比较示意图，如图9a所示，7t1r rram的nvsram、4t2mtj nvsram分别比本公开多消耗178倍和61倍的能量
132.其中，图9b示出了相关技术与本公开的存储器的工作频率与归一化备份能量的关系示意图。
133.如图9b所示，与相关技术相比，本公开实施例在备份能量显著降低的情况下，本公开实施例在工作频率＝2mhz和备份频率fbkp＝10hz的典型场景下实现了低于0.75％的超高备份能量效率(由正常存储器访问能量归一化)。与具有0.20％的归一化恢复能量的基于fefet的10t方案的nvsram相比，对于许多低功率iot应用，本公开实施例在系统级可以观察到很小的能量性能差异(仅0.5％)。
134.请参阅图10，图10示出了本公开实施例的存储器与相关技术的面积比较示意图。
135.如图10所示，与相关技术中的存储模块110面积相比(以x.li的工作为例)，由于本公开实施例仅需2个晶体管就能实现备份重载单元1130，因此，本公开实施例的nvsram(包括备份重载单元1130+存储单元1120)的面积大幅缩小，即使考虑到开关单元1110、附加的控制和电压供应线，本公开实施例也可以降低约11％的面积(如表1所示)，面积开销的减少增加了nvsram密度，这有利于减少总面积成本或支持更大的嵌入式高速缓存。
136.表1
137.结构单元面积(μm2)归一化面积传统的6t-sram1.09110t nvsram(x.li的工作)1.561.429本公开1.391.278
138.表2给出相关技术与本公开在功耗、密度方面的对比。
139.表2
[0140][0141]
可见，本公开实施例提出的基于铁电晶体管的非易失静态随机存储电路仅使用2个额外晶体管组成的非易失存储单元进行数据备份和重载，将非易失存储单元的晶体管数目从现有的4个降低为2个，该电路支持供电系统掉电前的数据备份，利用分步控制技术，外围电路控制反相器电源的上电次序，从而实现供电恢复时原始数据的重载(这种分步控制技术减少了由导通管晶体管控制所带来的额外面积开销)，电路结构紧凑，进行数据的备份
和重载操作时，功耗可达飞焦量级且降低了面积、提升了密度，即，本公开实施例在一定程度上解决相关技术中的面积开销问题。
[0142]
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
技术特征：
1.一种非易失静态随机存取存储器，其特征在于，所述存储器包括：多个存储模块，每个存储模块均包括开关单元、存储单元及备份重载单元，所述开关单元连接于所述存储单元及所述备份重载单元，所述备份重载单元连接于所述存储单元，其中：所述存储单元用于执行静态随机存取操作，以存取数据；所述备份重载单元包括两个晶体管、且其中一个晶体管为铁电场效应晶体管，所述备份重载单元用于在所述存储器掉电时执行数据备份操作，以利用所述铁电场效应晶体管的极化特性备份所述存储单元中的数据，并在所述存储器上电时执行数据重载操作，以将所述备份重载单元中的数据写入所述存储单元；控制模块，连接于各个存储模块，用于控制所述开关单元、所述备份重载单元中的晶体管，以执行所述静态随机存取操作、所述数据备份操作、所述数据重载操作的至少一种。2.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述控制所述开关单元、所述备份重载单元中的晶体管，以执行所述静态随机存取操作、所述数据备份操作、所述数据重载操作的至少一种，包括：控制所述备份重载单元中的铁电场效应晶体管的栅极电压为预设电压，控制所述备份重载单元中的另一晶体管为关断状态，控制所述存储单元正常供电，通过所述开关单元对所述存储单元执行所述静态随机存取操作。3.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述控制所述开关单元、所述备份重载单元中的晶体管，以执行所述静态随机存取操作、所述数据备份操作、所述数据重载操作的至少一种，包括：控制所述铁电场效应晶体管的栅极电压为预设电压，控制所述备份重载单元中的另一晶体管为关断状态，控制所述备份重载单元中的另一晶体管的源极为低电平；控制所述铁电场效应晶体管的栅极电压在低电平及高电平分别保持一段时间，再控制所述铁电场效应晶体管的栅极电压为所述预设电压，以执行所述数据备份操作。4.根据权利要求1所述的存储器，其特征在于，所述控制所述开关单元、所述备份重载单元中的晶体管，以执行所述静态随机存取操作、所述数据备份操作、所述数据重载操作的至少一种，包括：控制所述铁电场效应晶体管的栅极电压为预设电压，控制所述备份重载单元中的另一晶体管为导通状态，控制所述备份重载单元中的另一晶体管的源极为高电平；依次打开所述存储单元的反相器的电源，以执行所述数据重载操作。5.根据权利要求1～4任一项所述的存储器，其特征在于，各个存储模块还包括第一位线、第二位线、第一字线、第二字线、第三字线和第四字线，所述开关单元包括第一晶体管、第二晶体管，所述备份重载单元包括第三晶体管、第四晶体管，所述第三晶体管为铁电场效应晶体管，所述存储单元包括第一反相器、第二反相器，其中，所述第一晶体管的漏极与所述第一位线相连，所述第一晶体管的栅极与所述第一字线相连，所述第一晶体管的源极与所述第一反相器的输入端和所述第二反相器的输出端相连；所述第二晶体管的漏极与所述第二位线相连，所述第二晶体管的栅极与所述第一字线相连，所述第二晶体管的源极与所述第一反相器的输出端、所述第二反相器的输入端和所述第三晶体管的漏极相连；
所述第三晶体管为铁电晶体管，所述第三晶体管的栅极与所述第二字线相连，所述第三晶体管的源极与所述第四晶体管的漏极相连，所述第三晶体管的漏极与所述第一反相器的输出端、所述第二反相器的输入端和所述第二晶体管的源极相连；所述第四晶体管的栅极与所述第三字线相连，所述第四晶体管的源极与所述第四字线相连，所述第四晶体管的漏极与所述第三晶体管的源极相连。6.根据权利要求5所述的存储器，其特征在于，所述控制所述开关单元、所述备份重载单元中的晶体管，以执行所述静态随机存取操作、所述数据备份操作、所述数据重载操作的至少一种，包括：通过所述第二字线控制所述第三晶体管的栅极电压为预设电压，通过所述第三字线控制所述第四晶体管为关断状态，控制所述存储单元正常供电，通过所述第一字线、所述第一位线、所述第二位线控制所述开关单元对所述存储单元执行所述静态随机存取操作。7.根据权利要求5所述的存储器，其特征在于，所述控制所述开关单元、所述备份重载单元中的晶体管，以执行所述静态随机存取操作、所述数据备份操作、所述数据重载操作的至少一种，包括：通过所述第二字线控制所述第三晶体管的栅极电压为预设电压，通过所述第三字线控制所述第四晶体管为关断状态，通过所述第四字线控制所述第四晶体管的源极为低电平；通过所述第二字线控制所述第三晶体管的栅极电压在低电平及高电平分别保持一段时间，再通过所述第二字线控制所述第三晶体管的栅极电压为所述预设电压，以执行所述数据备份操作。8.根据权利要求5任一项所述的存储器，其特征在于，所述控制所述开关单元、所述备份重载单元中的晶体管，以执行所述静态随机存取操作、所述数据备份操作、所述数据重载操作的至少一种，包括：通过所述第二字线控制控制所述第三晶体管的栅极电压为预设电压，通过所述第三字线控制所述第四晶体管为导通状态，通过所述第四字线控制所述第四晶体管的源极为高电平；依次打开所述第二反相器的电源和第一反相器的电源，以执行所述数据重载操作。9.根据权利要求2～4任一项所述的存储器，其特征在于，所述预设电压小于或等于所述存储器的电源电压的一半。10.根据权利要求5所述的存储器，其特征在于，各个存储模块通过电气连接的方式组合成至少一行至少一列的布局方式，其中，同一行的存储模块的第一字线相连、第二字线相连、第三字线相连、第四字线相连，同一列的存储模块的第一位线相连、第二位线相连。11.根据权利要求5所述的存储器，其特征在于，所述控制模块包括字线驱动电路、位线驱动电路，其中，所述字线驱动电路用于驱动各个存储模块的第一字线、第二字线、第三字线和第四字线；所述位线驱动电路用于驱动各个存储模块的第一位线和第二位线。
技术总结
本公开涉及一种非易失静态随机存取存储器，所述存储器包括：多个存储模块，每个存储模块均包括开关单元、存储单元及备份重载单元，所述存储单元用于执行静态随机存取操作；所述备份重载单元包括两个晶体管、且其中一个晶体管为铁电场效应晶体管，所述备份重载单元用于在所述存储器掉电时执行数据备份操作，并在所述存储器上电时执行数据重载操作；控制模块，用于控制所述开关单元、所述备份重载单元中的晶体管，以执行所述静态随机存取操作、所述数据备份操作、所述数据重载操作的至少一种。本公开实施例可以降低晶体管开销，减少存储模块的面积开销，提高存储密度，并可达到飞焦级别的功耗。的功耗。的功耗。
