基于忆阻器的三态内容寻址存储器设计

摘要

三态内容寻址存储器(TCAM)是由内容而不是存储地址寻址的存储系统。设计不同结构的TCAM时,以提高存储密度和降低功耗为两个主要目标。然而,基于CMOS技术设计存储容量较大的TCAM芯片时将面临很多问题,功耗和面积过大,且其三态逻辑值存储需要额外的电源来维持。为了下一代计算存储系统能够达到较高的性能,则需要设计出新的电路与系统架构,或者寻找适合TCAM特点的新材料器件来构建新的TCAM电路结构。
　　忆阻器具有非易失性、面积小、低功耗、切换时间短的特点,已被应用于TCAM结构设计。目前,基于忆阻器的TCAM(mTCAM)单元结构设计为实现低功耗、高存储密度TCAM存储系统的发展与研究提供了新的方向与思路。
　　为了进一步提高集成存储电路芯片的存储密度,降低其功耗,丰富mTCAM电路设计,本文提出了以下两种mTCAM单元结构:
　　首先,本文设计了一种由四个忆阻器组成的4M-TCAM单元结构,并进行了结构拓扑。四个忆阻器分别两两反接串联,构成mTCAM的存储部分和搜索/匹配部分。存储数据通过两步写操作完成;搜索/匹配时先进行一个搜索写数据操作,然后输入匹配数据进行匹配。
　　其次,为进一步降低mTCAM单元面积,本文在4M-TCAM设计工作基础上设计了由两个忆阻器组成的2M-TCAM单元结构。两个忆阻器反接组成一个mTCAM单元,用来存储数据。为进一步降低功耗,本文优化2M-TCAM结构,设计出低功耗2M-TCAM结构,将2M-TCAM结构划分成逻辑“0”和逻辑“1”模块并且通过一个与门和晶体管相连后再分块进行相应的操作来减少功耗。
　　最后,通过SPICE仿真,验证了本文所设计mTCAM的批量写数据,搜索/匹配操作的正确性。在功耗方面,提出的低功耗2M-TCAM结构比改进前的结构在搜索/匹配操作中减少约60％。通过基本元器件数目的比较,本文提出的mTCAM与前人工作相比较在存储集成度上得到了很大地提高。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文研究内容与组织结构

1．3．1 研究内容

1．3．2 组织结构

第2章 忆阻器及内容寻址存储器概述

2．1 忆阻器的定义

2．2 忆阻器的建模与仿真

2．2．1 线性离子漂移忆阻器模型

2．2．2 非线性离子漂移模型

2．2．3 带阈值忆阻器仿真模型

2．3 忆阻器在TCAM中的应用

2．3．1 内容寻址存储器

2．3．2 基于忆阻器的TCAM

2．4 小结

第3章 4M-TCAM结构设计

3．1 电路设计

3．1．1 写操作

3．1．2 搜索／匹配操作

3．2 拓扑结构设计

3．2．1 阵列写操作

3．2．2 阵列搜索操作

3．3 仿真实验与分析

3．4 小结

第4章 低功耗2M-TCAM结构设计

4．1 2M-TCAM单元结构设计

4．2 低功耗TCAM结构设计

4．2．1 低功耗2M-TCAM结构

4．2．2 写操作

4．2．3 搜索操作

4．3 低功耗TCAM仿真实验

4．4 时间分析

4．4．1 2M-TCAM搜索时间分析

4．4．2 低功耗TCAM搜索时间分析

4．4．3 时间开销对比

4．5 功耗分析

4．5．1 2M-TCAM功耗分析

4．5．2 低功耗TCAM功耗分析

4．5．3 功耗对比

4．6 性能分析对比

4．7 小结

结论

参考文献

致谢