基于单电容单纳米机电开关的三态内容寻址存储器架构及其在数据密集型应用中的高能效计算研究

这篇综述创新性地提出了一种采用单电容单纳米机电开关（1C-1N）的三态内容寻址存储器（TCAM）架构，通过在后端制程（BEOL）中集成金属-绝缘体-金属（MIM）电容和纳米机电（NEM）开关，实现了138-1695的超高电容比和零静态功耗。该设计利用NEM开关的空气间隙特性实现三态操作，其机械非易失性特性显著提升了器件可靠性，为大规模存内计算（in-memory computing）提供了高效解决方案。

　　

1 引言

内容寻址存储器（CAM）在人工智能任务中具有并行搜索优势，但传统基于CMOS的TCAM单元需16个晶体管，存在面积和功耗瓶颈。当前非易失性存储器（NVM）如阻变存储器（RRAM）虽能缩减面积，但仍面临非线性RC衰减和静态功耗问题。电荷域CAM通过电容差异实现交变电流（AC）操作，但现有器件难以同时满足后端制程（BEOL）兼容性、高电容比和抗变异性的要求。

2 结果与讨论

2.1 器件特性

采用22纳米CMOS工艺制造的1C-1N单元包含M2-M4层的指状MIM电容（C_M=20 fF）和M7层NEM开关。通过刻蚀释放工艺激活悬臂梁结构，其空气间隙电容（C_gap=11.8 aF）使理论电容比达1695。C-V测试显示，当L1电压达1.3 V时，悬臂梁机械下拉使电容值从亚fF跃升至C_M，验证了三态编程能力。

2.2 TCAM操作机制

搜索时，匹配位通过C_gap与C_M串联路径仅产生微弱位移电流（i_ML），而失配位直接通过C_M产生19 fC电荷差。实验测得10⁴次读循环后电容值无衰减，2.5×10⁵秒保留测试表明机械接触稳定性优于铁电器件。

2.3 阵列级性能

513×512阵列仿真显示，寄生电容使实际电容比降至138，但仍保持线性汉明距离（HD）计算能力。与铁电电容器（MFM/MFS）相比，1C-1N单元在7.62 μm²面积下实现0.25 fJ/bit/search的超低动态功耗，且无需补偿电路即可抵抗3%工艺变异。

2.4 技术对比

相较于SRAM（16T）、RRAM（4T2R）等电流域方案，1C-1N架构将单元配置缩减至单电容单开关，搜索能耗降低80%。硅基电荷陷阱器件虽可实现1478电容比，但BEOL不兼容性限制其三维集成潜力。

3 结论

1C-1N TCAM通过机械开关的物理隔离特性，同时解决电容比、可靠性和能效的"不可能三角"，为k近邻（k-NN）分类等数据密集型应用提供硬件基础。未来需优化悬臂梁疲劳特性以满足10⁸次循环要求。

4 实验方法

关键工艺包括Cu双镶嵌互连和SF₆/O₂各向同性刻蚀释放。电学测试采用B1500A参数分析仪，通过快速波形模块实现电荷积分测量。