高性能低功耗TCAM研究与实现

摘要

三态按内容寻址存储器(TCAM)是一种高速硬件搜索引擎，不仅具有普通存储器（如SRAM，DRAM等）的存储和读取数据功能，还能对数据进行匹配查找。TCAM主要应用于核心路由器的查找表，数据压缩，模式识别和图像处理等。目前较为成功的商业应用为核心路由器的数据包分类转发。TCAM的高速搜索源于内部搜索操作的并行性，因此TCAM的功耗问题较为严重。随着IPv6的普及与移动互联网的发展，大容量，长字的TCAM芯片需求对搜索速度和功耗提出更高的挑战。许多研究者致力于研究在不牺牲搜索速度的前提下降低TCAM芯片功耗。
　　在此背景下，本论文对高性能低功耗的TCAM芯片进行研究。论文首先提出了一种新型低匹配线电容TCAM单元，该单元匹配线电容较小，有利于降低匹配线功耗。与同类型单元相比，该单元还能够有效避免短路功耗以及潜在功能错误等问题。其次论文提出了一种OR型级联匹配线策略，该策略只有在前一级匹配的情况下才启动下一级搜索操作。由于该匹配线策略预充电节点电容较小，并且第一级全匹配概率低，因此该方案有效地降低了匹配线功耗。而当全字匹配时，论文所提方案的字电路等效为串联的反相器，因此搜索速度较高。接着论文采用Verilog语言设计了具有8级流水的RTL级TCAM控制器，该控制器有效地提高了大容量TCAM芯片搜索速度与吞吐量。最后论文对TCAM控制器进行逻辑综合与后端设计。
　　基于所提匹配线方案，论文采用0.13-um1.2-V SMIC工艺对64字×72比特的TCAM核进行实现，其中级联数目为3级。前仿结果表明，电路搜索速度为0.48 ns，功耗为0.41 fJ/bit/search。论文将电路进行版图实现，版图面积仅为97614.14 um2。版图后仿真结果表明，电路搜索速度为1.13 ns，功耗为0.58fJ/bit/search。在相同工艺下，论文对控制器进行综合。综合结果表明，TCAM控制器最高工作速度达400Mhz。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 CAM简介

1．2．1 CAM基础

1．2．2 匹配线功耗模型

1．3 国内外研究现状

1．4 论文主要研究内容

2 高速低功耗OR型级联匹配线方案

2．1 低匹配线电容的NOR型TCAM单元

2．2 OR型级联匹配线

2．2．1 OR型级联匹配线结构

2．2．2 晶体管尺寸选择原则

2．3 性能对比

2．3．1 不同级数之间性能对比

2．3．2 与其他匹配线策略之间性能对比

2．4 版图后仿真

3 TCAM控制器设计与验证

3．1 TCAM控制器功能分析

3．1．1 TCAM存储体及功能

3．1．2 TCAM控制器接口信号

3．1．3 TCAM芯片指令及时序

3．1．4 TCAM主要寄存器及功能

3．2 TCAM控制器的设计

3．2．1 TCAM控制器流水线结构

3．2．2 TCAM控制器的功能框图

3．3 TCAM控制器的验证

3．3．1 定向测试

3．3．2 随机测试

3．3．3 验证结果分析

4 TCAM芯片综合

4．1 逻辑综合

4．1．1 综合脚本分析

4．1．2 综合结果

4．2 后端设计

4．2．1 数据导入

4．2．2 布局规划

4．2．3 单元放置

4．2．4 时钟树综合

4．2．5 全局与细节布线

4．2．7 时序验证

4．2．8 功能等价性检查

4．2．9 物理验证

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢