[發明專利]一種高密度三態內容尋址存儲器及其尋址方法

在審

• 申請號: 202110087357.8
• 申請日: 2021-01-22
• 公開（公告）號: CN112837720A
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 楊建國;蔣海軍;薛曉勇;劉琦
• 申請（專利權）人: 之江實驗室
• 主分類號: G11C7/06
• 分類號: G11C7/06;G11C7/10;G11C8/00
• 代理公司: 杭州浙科專利事務所(普通合伙) 33213
• 代理人: 楊小凡

本發明公開了一種高密度三態內容尋址存儲器及其尋址方法，所述存儲器包括：搜索線、匹配線、互補搜索線和多個存儲單元，所述存儲單元包括第一存儲電阻和第二存儲電阻，所述第一存儲電阻的第一端與所述搜索線相連，所述第一存儲電阻的第二端與所述匹配線相連，所述第二存儲電阻的第一端與所述互補搜索線相連，所述第二存儲電阻的第二端與所述匹配線相連。本發明提供的高密度三態內容尋址存儲器及其尋址方法，具有存儲密度大和可靠性強特點。

技術領域

本發明涉及嵌入式控制技術領域，尤其是涉及一種高密度三態內容尋址存儲器及其實現方法。

背景技術

在大數據和云計算時代，隨著各種智能設備的普及，大量的數據隨之產生，同時也需要網絡進行傳輸。為了提高數據傳輸效率和安全性，在路由器中對數據進行篩選變得非常必要。傳統基于軟件的篩選方法主要依賴CPU（中央處理器）和主存之間進行多次存取和比較操作實現，時間成本和功耗代價都比較大。而TCAM（ternary content addressablememory，三態內容尋址存儲器）作為一種硬件層面的解決方案，可以通過并行比較實現快速高效的查找和匹配，較好地解決了傳統軟件實現方法存在的問題。

TCAM的快速查找和匹配往往是以芯片面積的增長和功耗的增加為代價。傳統的TCAM設計以SRAM（靜態隨機存取存儲器）為基礎，單個TCAM單元往往需要12-16個晶體管，單元面積過大導致TCAM存儲密度很難提升，同時，面積大也導致寄生電容較大，造成動態（active）功耗較大。另外，傳統的TCAM繼承了SRAM的易失特性，靜態（standby）模式不能切斷電源，否則所存儲的信息丟失，這一特性也導致其靜態功耗較大。

針對傳統TCAM存在的問題，目前的一個研究熱點是如何基于新型高密度存儲器來實現高密度TCAM。在國際上，著名的研究機構包括IBM、NEC和Tohoku大學、TSMC和中國臺灣清華大學等在集成電路領域的旗艦會議ISSCC（國際固態集成電路會議）和Symposium onVLSI Circuits（VLSIC，大規模集成電路研討會）從2011年到2016年連續六年報道高密度TCAM的相關成果，相比傳統TCAM，現有的高密度TCAM具有單元面積較小、靜態功耗低等優點。首先，TCAM單元中晶體管數目減少到2-6個，大大減小了TCAM單元的面積，其次，新型存儲器的高密度特性使得TCAM在休眠狀態下可以徹底斷電而不用擔心信息丟失，有利于減小了靜態功耗。但是，現有的高密度TCAM方案仍存在一些問題，主要表現在：

“0”和“1”信號之間的存儲窗口較小，對于基于MRAM的高密度TCAM，由于MRAM本身Roff/Ron（Ron為低阻，Roff為高阻）較小，且易受波動影響，導致相應的高密度TCAM中的“0”和“1”信號之間的存儲窗口小。對于基于RRAM的高密度TCAM，由于其主要依賴RRAM存儲電阻與晶體管之間分壓獲得“0”或“1”，而晶體管和RRAM存儲電阻在小尺寸時波動都比較大，且波動規律不一致，導致所得到的“0”和“1”信號之間的存儲窗口易受波動影響而變差。

TCAM單元的面積仍然較大，現有的最小高密度TCAM單元面積仍有50F2（F為每個工藝代下的特征尺寸）。由于現有的高密度TCAM單元仍需要晶體管的輔助才能實現TCAM功能，而晶體管需要制作在CMOS前段工藝上，這樣一方面撐大TCAM單元的面積，另一方面也限制了TCAM單元三維（3D）集成的可能性，也不利于發揮RRAM的3D可集成能力。

發明內容

為解決現有技術的不足，實現減小存儲單元體積，增大存儲器存儲密度，提高存儲器可靠性，使存儲器的3D集成成為可能的目的，本發明采用如下的技術方案：