带无极性动态开关的代码比较器
阅读：213发布：2020-05-08
专利汇可以提供带无极性动态开关的代码比较器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本公开涉及带无极性动态 开关 的代码比较器。一个示例性装置包括：多条横行线；多条纵列线；一个或多个交叉点器件，以及在多个交叉点器件内形成的无极性易失性二端器件。多个交叉点器件中的每个交叉点器件均位于多条横行线中的一行与多条纵列线中的一列的交叉点处；无极性易失性二端器件配置用于从导通状态自动恢复为关断状态，作为消除施加到无极性易失性二端器件上的电 偏压 或 信号 的响应。无极性易失性二端器件配置用于从导通状态自动恢复为关断状态，作为消除施加到无极性易失性二端器件上的偏压或信号的响应。，下面是带无极性动态开关的代码比较器专利的具体信息内容。
1.一种装置，包括：
多条横行线；
多条纵列线；
多个交叉点器件，其中
每个交叉点器件均位于多条横行线中的一行与多条纵列线中的一列的交叉点处；以及在多个交叉点器件内形成的无极性易失性二端器件，
其中
无极性易失性二端器件配置用于从导通状态自动恢复为关断状态，作为消除施加到无极性易失性二端器件上的偏压或信号的响应。
2.如权利要求书1中所述装置，其中无极性易失性二端器件配置用于在消除施加到无极性易失性二端器件上的偏压或信号之后的100皮秒到100毫秒之间，从导通状态自动恢复为关断状态。
3.如权利要求书1中所述装置，其中无极性易失性二端子器件的非线性比高于10，其中非线性比的定义为，无极性易失性二端器件所施加的导通电压产生的第一电流除以所施加导通电压的一半产生的第二电流。
4.如权利要求书3中所述装置，其中如果多条横行线和多条纵列线的数量大于10，则非线性比会高于100。
5.如权利要求书1中所述装置，其中无极性易失性二端器件至少包括：NbO2、VO2、SmNO3、Ti2O3、Ti3O5、LaCoO3、V4O7、NdNiO3、V6O11、稀土金属氧化物、AM4Q8(其中A＝Ga、Ge；M＝V、Nb、Ta；Q＝S、Se)和莫特材料。
6.如权利要求书1中所述装置，其中无极性易失性二端器件包括金属-绝缘体-金属(MIM)组件，其中MIM组件包括掺杂快速扩散性金属介电层。
7.如权利要求书6中所述装置，其中快速扩散性金属是以下金属中的一种：Ag、Cu、Au、Al和Li。
8.如权利要求书1中所述装置，其中无极性易失性二端器件包括金属-隧道势垒-金属(MBM)组件，其中MBM组件包括介电层，介电层含有以下物质中的一种：氧化物、氮化物、碳化物和硫化物。
9.一种方法包括：
使用通过交叉开关矩阵第一端的第一个输入信号对交叉开关矩阵进行编程，其中交叉开关矩阵包括一个或多个交叉点器件；
读取第一个输出信号；
消除施加到交叉开关矩阵上的信号或偏压；
确定消除信号或偏差之后已经过预定义时间；以及
在未重置一个或多个交叉点器件的情况下，使用下一个输入信号对交叉开关矩阵进行编程。
10.如权利要求书9中所述方法，其中还包括：
使用参考信号对交叉开关矩阵进行编程，其中参考信号施加到交叉开关矩阵的第二端。
11.如权利要求书9中所述方法，其中还包括：
在读取第一个输出信号时，将接地电压施加到交叉开关矩阵的第二端。
12.如权利要求书9中所述方法，其中预定义时间配置用于使一个或多个交叉点器件转变回其初始状态。
13.如权利要求书12中所述方法，其中初始状态为关断状态。
14.如权利要求书9中所述方法，其中预定义时间为100皮秒到100毫秒之间。
15.如权利要求书9中所述方法，其中还包括：
比较输入信号和参考信号之间的电压差，其中一个或多个交叉点器件配置用于，在确定电压差大于或等于与一个或多个交叉点器件相关的切换电压阈值的情况下，切换为导通状态。
16.如权利要求书15中所述方法，其中一个或多个交叉点器件配置用于，在确定电压差小于与一个或多个交叉点器件相关的切换电压阈值的情况下，切换为关断状态。
带无极性动态开关的代码比较器
技术领域
[0001] 本公开涉及代码比较器，更具体地说，是涉及带无极性动态开关的代 码比较器。
背景技术
[0002] 可由数字电路通过将输入数据位与相应判定逻辑进行逐位比较来计算 汉明距离。由于数字电路的功耗与电路电容和信号跃迁总数成比例，因此 计算数字电路中的汉明距离的效率可能较低。如果单词或字符串比较涉及 模拟输入信号，则此类困难会加剧，因为模拟输入信号需要首先通过模数 转换器(ADC)转换为数字信号。
[0004] 本公开披露了使用非线性器件(例如，交叉开关矩阵中的无极性动态 二端器件)操作代码比较器的系统和方法。例如，因电偏压切换到低电阻 状态(即导通状态)之后，无极性动态二端器件会在消除切换电偏压后， 自动恢复为高电阻状态(即关断状态)。从这个意义上讲，该器件在其关 断状态下可称为易失性器件。
[0005] 一个示例性装置包括：多条横行线；多条纵列线；一个或多个交叉点 器件，以及在多个交叉点器件内形成的无极性易失性二端器件。多个交叉 点器件中的每个交叉点器件均位于多条横行线中的一行与多条纵列线中的 一列的交叉点处；无极性易失性二端器件配置用于从导通状态自动恢复为 关断状态，作为消除施加到无极性易失性二端器件上的电偏压或信号的响 应。无极性易失性二端器件配置用于从导通状态自动恢复为关断状态，作 为消除施加到无极性易失性二端器件上的偏压或信号的响应。该示例性装 置配置用于在消除施加到无极性易失性二端器件上的偏压或信号之后的1 毫秒内，从导通状态自动恢复为关断状态。
[0006] 在一些实施中，无极性易失性二端器件配置用于在消除施加到无极性 易失性二端器件上的偏压或信号之后的100皮秒到100毫秒之间，从导通 状态自动恢复为关断状态。
[0008] 在一些实施中，如果多条横行线和多条纵列线的数量大于10，则非线 性比会高于100。
[0009] 在一些实施中，无极性易失性二端器件至少包括：NbO2、V02、SmNO3、 Ti2O3、Ti3O5、LaCoO3、V4O7、NdNiO3、V6O11、稀土金属氧化物、AM4Q8 (其中A＝Ga、Ge；M＝V、Nb、Ta；Q＝S、Se)和莫特材料。
[0010] 在一些实施中，无极性易失性二端器件包括金属-绝缘体-金属(MIM) 组件，其中MIM组件包括掺杂扩散性金属介电层，扩散性金属是以下金 属中的一种：Ag、Cu和Li。
[0011] 在一些实施中，无极性易失性二端器件包括金属-绝缘体-金属(MIM) 组件，其中MIM组件包括掺杂快速扩散性金属介电层。
[0012] 在一些实施中，快速扩散性金属是以下金属中的一种：Ag、Cu、Au、 Al和Li。
[0014] 操作一个或多个交叉点器件的示例性方法包括：使用通过交叉开关矩 阵第一端的第一个输入信号对交叉开关矩阵进行编程，其中交叉开关矩阵 包括一个或多个交叉点器件；读取第一个输出信号；消除施加到交叉开关 矩阵上的信号或偏压；确定消除信号或偏差之后已经过预定义时间；以及 在未重置一个或多个交叉点器件的情况下，使用下一个输入信号对交叉开 关矩阵进行编程。
[0015] 在一些实施中，该方法还包括：使用参考信号对交叉开关矩阵进行编 程，其中参考信号施加到交叉开关矩阵的第二端。
[0016] 在一些实施中，该方法还包括：在读取第一个输出信号时，将接地电 压施加到交叉开关矩阵的第二端。
[0017] 在一些实施中，预定义时间配置用于使一个或多个交叉点器件转变回 其初始状态。
[0018] 在一些实施中，初始状态为关断状态。
[0019] 在一些实施中，预定义时间为100皮秒到100毫秒之间。
[0020] 在一些实施中，该方法还包括：比较输入信号和参考信号之间的电压 差，其中一个或多个交叉点器件配置用于，在确定电压差大于或等于与一 个或多个交叉点器件相关的切换电压阈值的情况下，切换为导通状态。
[0022] 图1是方框图，根据一些实施，展示了示例性基于交叉开关矩阵的代 码比较器。
[0023] 图2A和2B是方框图，展示了示例性非易失性忆阻器的特性。
[0024] 图2C是方框图，根据一些实施，展示了示例性无极性易失性器件的 特性。
[0025] 图3是流程图，根据一些实施，展示了运用交叉开关电路计算模拟汉 明距离的示例性方法200。
[0026] 图2A、2B和2C中所示的虚线和实线表示无极性易失性器件的不同状 态(例如，高电阻状态或低电阻状态)。
[0027] 本公开所公开的实施通过举例而非限制的方式在附图中进行说明。参 考数字是指图纸上相应的零件。
具体实施方式
[0028] 本公开涉及带无极性开关的代码比较器并提供了使用方法。本公开中 所述技术可以带来以下技术优势。首先，本公开中所述技术无需数字添加 或比较，并且能够确定汉明距离及使用模拟信号执行代码比较。
[0029] 其次，本公开中所述技术可减少或消除因必须将非线性器件重新编程 或重置为其默认状态而导致的开销，从而提高切换速度，例如，在每次比 较操作结束时。
[0030] 第三，本公开中所述技术可通过提供切换电压阈值来提高比较结果的 准确性，可将切换电压阈值设置和调整为容噪性更高的期望值。
[0031] 在代码比较操作中，两个相等长度的字符串之间的汉明距离定义为相 应符号彼此不同的位置的总数。换句话说，汉明距离测量的是将一个字符 串变更为另一个字符串所需替换的最少字符个数，或可能将一个字符串转 换为另一个字符串的最少错误个数。汉明距离可应用于信息论、编码理论 和密码学领域。例如，汉明距离可用于累计定长二进制字中发生翻转的数 据位，从而估计信号中的错误个数(例如信号质量)。
[0032] 为了计算汉明距离，可首先将字符串或单词转换为二进制位序列码。 数字电路系统内的汉明距离比较器可累计两个字符串之间发生二进制位翻 转的总数。以两个8位数据流为例，01101001和10101000之间的汉明距 离为3，第一次翻转发生在第1位，第二次翻转发生在第2位，第三次翻 转发生在第8位。汉明距离可由异或门数字电路通过将输入数据位与相应 判定逻辑进行逐位比较来计算。由于数字电路的功耗与电路电容和信号跃 迁总数成比例，因此计算数字电路中汉明距离的效率可能较低。如果单词 或字符串比较涉及模拟输入信号，则此类困难会加剧，因为模拟输入信号 需要首先通过模数转换器(ADC)转换为数字信号。
[0033] 图1是方框图，根据一些实施，展示了示例性基于交叉开关矩阵的代 码比较器100。如图1所示，交叉开关矩阵电路100包括交叉开关矩阵101， 矩阵中包括第一条横行线
1011、第一条纵列线1021和交叉点器件1031。 在一些实施中，横行线(例如第一条横行线
1011)、纵列线(例如第一条 纵列线1021)或两者均为金属线。
1011、第一条纵列线1021和交叉点器件1031。 在一些实施中，横行线(例如第一条横行线
1011)、纵列线(例如第一条 纵列线1021)或两者均为金属线。
[0034] 交叉点器件(交叉点开关)是布置在矩阵配置中的开关。交叉开关器 件可能有多条输入和输出线，这些线形成相互连接的交叉线，可通过闭合 位于每个交叉点处的开关(矩阵的元件)来连接这些线。
[0035] 基于可能发生电气切换的条件，可将二端交叉点器件1031分为两类： 双极切换开关和单极(或无极性)切换开关。如果将一个电压极性(例如 +1V)用于设置开关，而将相反的电压极性(例如-1V)用于重置开关，则 发生双极开关切换。相反，如果施加相同极性的电压，则可能通过单极或 无极性开关进行设置和重置。例如，施加+1V时可能进行设置，而再次施 加+1V时可能进行重置。
[0036] 图2A和2B是方框图，分别展示了示例性非易失性忆阻器的特性200 和230。如图在图2A中，双极开关(例如忆阻器)需要一个电压极性来接 通，需要相反的电压极性来关断。相反，如图2B所示，无极性开关可通 过相同的电压极性接通和关断。
[0037] 图2C是方框图，根据一些实施，展示了示例性无极性易失性器件260 的特性。
[0038] 如图2B所示，易失性器件260可自动重置，例如，当消除所施加的 电偏压(即电偏压较低或为零)时，该器件恢复为高电阻状态。此类易失 性器件在电流-电压图中具有非线性的电流-电压关系，即无论电压极性如 何，在低于特定阈值电压时为低电流，而当所施加电压变得大于预定阈值 时为高电流。换句话说，所施加的电压是正电压还是负电压无关紧要。因 此，无极性易失性器件用于计算汉明距离的结构可能更为简单，并且所需 能量更少。
[0039] 在一些实施中，交叉点器件1031包括无极性易失性二端器件。无论电 压极性如何，无极性器件均可在接通状态和关断状态之间切换。无极性器 件可在消除所施加的电偏压或信号(即电偏压较低或为零)之后，自动切 换到关断状态(相对高电阻状态)。无极性易失性二端器件的电阻可在两个 状态之间切换：高电阻状态(HRS)和低电阻状态(LRS)。从HRS到LRS 的切换可称为“设置”或“接通”。相反，从LRS到HRS的切换称为“重置” 或“关断”。在一些实施中，在消除所施加电偏压或信号之后的1毫秒内， 无极性易失性二端器件可从导通状态切换到关断状态。
[0040] 在一些实施中，无极性易失性二端器件的非线性比高于10。非线性比 可定义为，无极性易失性二端器件所施加的导通电压产生的第一电流除以 所施加导通电压的一半产生的第二电流。
[0041] 在一些实施中，如果交叉开关矩阵101为N×N矩阵(包括N行和N 列的矩阵)，则在N大于10的情况下，非线性比高于100。换句话说，如 果多条横行线和多条纵列线的数量大于10，则非线性比会高于100。
[0042] 为配置无极性易失性二端器件以进行代码比较操作，可使用以下组件：
[0043] 莫特相变器件
[0044] 在一些实施中，交叉点器件1031包括NbO2、VO2、SmNO3、Ti2O3、 Ti3O5、LaCoO3、V4O7、NdNiO3、V6O11、稀土金属氧化物，或AM4Q8(其 中A＝Ga、Ge；M＝V、Nb、Ta；Q＝S、Se)等任何莫特材料。如果施加 低偏压或信号(例如0.2V)，则由这些材料中的一种或多种制成的交叉点 器件将处于高电阻状态(例如1MΩ)。但是，如果施加阈值电压(例如2V) 或电流，则此类交叉点器件的温度可能会升高(由于流过交叉点器件的电 流)，而加热效应会导致器件转变为低电阻状态(例如100Ω)。在消除偏 压之后，交叉点器件1031的温度会降低，并且交叉点器件的电阻会恢复为 高电阻状态。
[0045] 金属-绝缘体-金属(MIM)器件
[0046] 在一些实施中，交叉点器件1031包括金属-绝缘体-金属器件或组件。 在一些实施中，MIM器件包括掺杂扩散性金属(Ag、Cu或Li)介电层。 如果施加低偏压或信号或者不施加偏压或信号，则由于扩散性金属未形成 连接两个金属电极的完整导电路径，因此此类交叉点器件仍然处于高电阻 状态(例如1MΩ)。如果施加阈值电压(例如2V)或电流，则交叉点器 件中的扩散性金属可转化为介电层中的导电细丝，连接两个金属电极。因 此，由于导电路径的形成，交叉点器件可转变为低电阻状态(例如100Ω)。 降低或消除偏压后，在热力学通过一些电化学过程的驱动下，扩散性金属 会转变回其初始状态，断开两个金属电极。因此，交叉点器件的电阻可以 恢复为高电阻状态，而无需施加编程信号或偏压。
[0047] 金属-隧道势垒-金属(MBM)器件
[0048] 在一些实施中，交叉点器件1031包括金属-隧道势垒-金属器件或组件。 在一些实施中，MBM器件包括介电层，介电层的材料包括氧化物、氮化 物、碳化物和硫化物。在本公开实施例中，如果施加低偏压或信号或者不 施加偏压或信号，则由于介质层绝缘，因此此类交叉点器件仍然处于高电 阻状态(例如1MΩ)。但是，如果施加阈值电压(例如2V)或电流，则 交叉点器件1031的介电层中的势垒可能被电子或其他粒子隧穿。由于隧道 效应，交叉点器件可能转变为低电阻状态(例如100Ω)。但是，在降低或 消除电压后，交叉点器件会自动恢复为高电阻状态，而无需施加任何编程 信号或偏压。这是因为，消除偏压后，隧道势垒的能量分布就会恢复，从 而导致隧道效应不复存在。
[0049] 图3是流程图，根据一些实施，展示了运用交叉开关电路101计算模 拟汉明距离的示例性方法300。如图3所示，方法300包括使用第一个输 入信号对交叉开关矩阵101进行编程(步骤302)、读取第一个输出信号(步 骤304)，以及消除施加到交叉开关矩阵101上的信号或偏压，并等待第一 个预定义的时间段结束(步骤306)。为了重复计算过程，方法300还包括 使用下一个输入信号对交叉开关矩阵进行编程(步骤308)。
[0050] 在更详细的示例中，如图1所示，可将第一个输入信号102施加到交 叉开关矩阵101的第一端1013，可将参考信号或接地电压103施加到交叉 开关矩阵101的第二端1014。
[0051] 为了计算两个位串之间的汉明距离，分别提供这些位串(例如输入信 号字符串An……A2A1和参考信号字符串Bn……B2B1)相应的行和列电 压电平(通过数字信号或模拟信号)，如图1所示。
[0052] 在切换过程中，如果位An和位Bn的电压电平相同，或两者之间的电 压差小于切换电压阈值，则交叉点器件(例如交叉点器件1031)的第n行 (例如第一行)和第n列(例如第一列)可能仍然处于高电阻状态，因为 交叉点器件两个端子的电势“相等”(或足够接近)。但是，如果位An和位 Bn的电压差大于切换电压阈值，则交叉点器件可能会转变为低电阻状态， 所施加的顺从电流位于行或列电流路径中。
[0053] 在切换(或非切换)过程之后，可向列施加较低的读取电压，并可将 行接地；或者可向行施加读取电压，并可将列接地。
[0055] 在读取第一个输出信号104之后，可消除施加到交叉开关矩阵101的 信号或偏压。
[0056] 在进行下一个操作之前，可能需要预定义等待时间，使交叉点器件能 够从当前的导通状态或LRS转变回初始状态(例如关断状态或HRS)。在 一些实施中，预定义等待时间为1毫秒，即可使交叉开关矩阵中的所有交 叉点器件均能够恢复为关断状态。
[0057] 在等待时间段结束时，假定所有交叉点器件均已恢复为关断状态。方 法300可包括使用下一个输入信号对交叉开关矩阵101进行编程，并重复 步骤302到步骤306，以计算下一个位串的汉明距离。
[0058] 可为本公开中描述为单个实例的组件、操作或结构提供多个实例。最 后，在某种程度上来说，各种组件、操作和数据存储之间的边界稍显随意， 并且在特定说明性配置的上下文中对特定操作进行了说明。其他功能分配 可预见，并可能属于实施范围。通常情况下，在示例性配置中作为单独组 件呈现的结构和功能可以作为组合结构或组件实施。同样，作为单个组件 呈现的结构和功能也可以作为单独组件实施。这些和其他变更、修改、添 加和改进均属于实施范围。
[0059] 还应该理解的是，尽管本公开使用术语“第一”、“第二”等来描述各种 元件，但这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与 另一个元件区分开来。例如，可将第一列称为第二列，同样，也可将第二 列称为第一列，而不会改变描述的含义，只要将出现的所有“第一列”进行 一致地重命名，并且出现的所有“第二列”也进行一致地重命名。第一列和 第二列仍然是原来的两列，但每一列与原来的列不同。
[0060] 本公开中使用的术语仅用于描述特定实施，并非旨在限制权利要求书。 正如在对各种所述实施方案中的描述和所附权利要求书中所使用的那样， 除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一个”和“该”同样也涵盖复数形 式。还应理解的是，本公开所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列 项目的任何和所有组合。此外，还应进一步理解，本公开中使用的术语“包 括”和/或“包含”指定所述特征、整数、步骤、操作、要素和/或部件的存在， 但不排除其中一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、要素、部件和/ 或集合的存在或添加。
[0061] 正如本公开说明书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解 释为所陈述的先决条件为真的“当……时”或“一旦”或“响应于确定”或“根 据确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定(所陈述的先决条件 为真)”或“如果(所陈述的先决条件为真)”或“当……时(所陈述的先决 条件为真)”可以依据上下文被解释为所陈述的先决条件为真的“一旦确定” 或“响应于确定”或“根据确定”或“一旦检测到”或“响应于检测到”。
[0062] 以上描述包括体现本公开说明书的说明性实施例的示例性系统、方法、 技术、指令序列和计算机器程序。出于说明目的，按顺序阐述了众多具体 细节，以提供对本发明专利技术主题各种实施方式的理解。但是，对于本 领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践 本发明主题。通常情况下，众所周知的指令实例、协议、结构和技术不一 定详细示出。
[0063] 出于说明目的，已经参考具体实施方式对以上说明进行了描述。但是， 以上说明性讨论并非旨在穷举或将实施例限制于所公开的精确形式。鉴于 上述教导，许多修改和变化都是可能的。所选择和阐述的实施方式是为了 最好地解释本发明的原理和其实践应用，从而使本领域的其他技术人员能 够最佳地利用适合于所设想特定用途的实施方式和各种修改。
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