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應用於非揮發性記憶體內運算架構之高速雙位元全電壓值域感測放大器

為了解決1gb MB KB的問題，作者高暉曜 這樣論述：

近年來，隨著行動裝置和物聯網的發展比以往更加盛行，對於非揮發性記憶體的要求與日俱增。目前主流的非揮發性記憶體為快閃記憶體(FLASH)，其具有成本低、容量大的特性而被大眾廣泛使用。然而，由於快閃記憶體需要高寫入電壓，且在製程微縮上遇到許多問題而陷入了瓶頸，因此開始拓展下世代的非揮發性記憶體(ReRAM, STT-MRAM, ...等)。相比傳統的快閃記憶體，下世代非揮發性記憶體可以使用較低的電壓來寫入、較快的讀取速度、較小的面積、並且具有邏輯製程相容性，這些優點使非揮發性記憶體比快閃記憶體更適合應用於內嵌式裝置。又隨著深度學習和物聯網的發展，需要計算的資料量隨著神經網路的複雜度而上升，然而，

傳統的范紐曼架構(Von Neumann)讓大多數的時間浪費在處理器和記憶體間的資訊搬運，兩者間的帶寬限制造成了運算速度的瓶頸。所以，近年來開始提出記憶體內運算(CIM)來解決這個問題，這使得需要傳輸的資訊是經過計算後的，減少資訊的搬移，進而提升處理效率，並搭配上非揮發性記憶體的特性，使得非揮發性記憶體內運算更適合運用在行動裝置和物聯網。本碩士論文會探討非揮發性記憶體內運算所面臨之挑戰，並提出一個電壓感測放大器去解決這些問題，主要面臨的挑戰有下面兩個:1. 隨著網路的複雜度提升，為了提高準確度，多位元的輸入和權重是必須的。然而隨著輸出的位元數上升，非揮發系性記憶體內運算架構需要更長的時間

來完成，操作的速度因此下降。2. 在有限的電壓下，傳統的電壓感測器並不能在低於臨界電壓的部分做正常的操作，因此不同累加值之間的感測裕度降低，讀取的良率也會跟著降低。因此在此篇論文中提出一個電壓感測放大器，可以在一個操作區間內，產生連續兩位元的輸出，分別是00、01、10、11的值。提出的電壓感測放大器的時間比傳統的電壓感測放大器少48% ~ 52%，且在記憶體內運算巨集的時間比使用傳統的電壓感測放大器快27% ~ 39%。並且提出的電壓感測放大器支援全值域的電壓感測，使得在做非揮發性記憶體內運算時的感測裕度可以放大。同時具有製程變異消除和放大感測裕度的機制來在小的感測裕度也有較高的良率。

傳統的電壓感測放大器在不同的共模電壓下能夠容忍的小偏壓電壓量也不同，而提出的電壓感測放大器能夠容忍1.76 ~ 2.91倍的小偏壓電壓量，且在不同的共模電壓下能夠容忍的小偏移電壓量很穩定。我們以容量為4Mb的電阻式記憶體來實現記憶體內運算，使用台積電22奈米製程。在正常操作電壓0.8V，量測提出的兩位元輸出電壓感測放大器速度為1.36ns而傳統的電壓感測放大器為1.24ns。應用在記憶體內運算架構八位元輸入和八位元權重的速度，輸出八位元可以達到14.8奈秒。

應用於電阻式隨機存取記憶體具動態臨界點差異採樣架構之小偏移電流感測放大器

為了解決1gb MB KB的問題，作者羅介甫 這樣論述：

近年來，物聯網的急速發展使高容量、高速與低成本的非揮發性記憶體需求日益增加高並應用極廣。其中，快閃記憶體(NAND Flash Memory)因為提供了低成本與高容量的儲存空間，成了非揮發性記憶體中的主流。然而，快閃記憶體寫入速度慢且無法隨機存取，甚者，快閃記憶體在製成微縮時遇到了瓶頸，因此有其必要開發下世代的非揮發興記憶體。而電阻式記憶體(ReRAM)是相當具有潛力的非揮發性記憶體，其特色為低寫入功耗、小面積、以及具有邏輯製成相容性，可降低製作成本。一個電晶體和一個ReRAM的組合(1T1R)，適合用在需要快速讀取和低供給電壓的內嵌式裝置應用上，特別是電池供給的物聯網裝置。隨著元件的微縮，

ReRAM的阻值愈來愈高，且寫入時間和阻值的飄移量愈來愈大，造成高阻態和低阻態之間的R-ratio(RH/RL)縮小。因此ReRAM記憶體在讀取時會面臨到下列問題1.R-Ratio變小以及製成飄移現象，使得讀取的感測範圍 (sensing margin)變小2.R-Ratio變小進而造成讀取速度慢在此，我們提出具動態臨界點差異採樣架構之小偏移電流感測放大器 (DTPMS-CSA)。我們提出的DTPMS-CSA的偏差比傳統讀取電路小4.8倍以上。更者，DTPMS-CSA的讀取速度可比傳統讀取電路快1.6倍以上以及3.1倍以上的讀取良率。我們以65奈米製程實作Mb ReRAM記憶體晶片，在正常操作

電壓1V以及位元線(Bitline)長度為512個與1024時，量測讀取速度分別為2.6ns和3.14ns。