[发明专利]一种超低功耗混合型内容可寻址存储器

说明书

技术领域

本发明涉及存储技术领域，尤其涉及一种超低功耗混合型内容可寻址存储器（内容可寻址存储器的英文为Content Addressable Memory，简写为CAM）。

背景技术

在现代SoC（System on Chip，片上系统）中，片上高速微处理器与主存储器之间的速度差异是制约系统性能的主要瓶颈，而高速缓冲存储器是解决这一问题的有效手段。在高速缓冲存储器中，地址比较器的比较速度以及因比较所产生的功耗会直接影响到SoC的整体性能。由于具有并行比较能力的CAM可以获得非常快的比较速度，因而CAM被广泛用作高速缓冲存储器的比较器；但是，由于CAM在运行过程中会产生大量功耗，因此如何实现低功耗的CAM成为本领域的研究热点。

如图1所示，现有技术中的CAM构架主要由控制单元、译码器、查找字寄存器、CAM单元阵列，字匹配电路和地址编码器组成；其中，CAM单元阵列包括多个CAM单元（如图1中所示的M），每个CAM单元只能存储1个位的数据；由于CAM是按照CAM字进行寻址操作，而一个CAM字中包括m个位（例如：m可以为32），因此需要m个CAM单元分别存储一个CAM字中每一位的数据，才能满足CAM的寻址需求；这m个CAM单元共同组成的电路通常称为CAM字结构，因而一个CAM单元阵列可以看成由多个CAM字结构组成。在一个CAM字结构中，每个CAM单元各有一根字线WL、两根查找线（一根为查找线SL、一根为查找线SLb，两根查找线所载入的是相反信号）和两根位线（一根为位线BL、一根为位线BLb，两根位线所载入的是相反信号）与之连接，但这些CAM单元均与同一根字结构匹配线ML连接，只有每个CAM单元所存储的数据均与查找字对应位的数据相匹配时，字结构匹配线ML才输出匹配信号，否则字结构匹配线ML会输出不匹配信号。

目前，传统CAM字结构主要有与非型CAM字结构（即NAND-type CAM字结构）和或非型CAM字结构（即NOR-type CAM字结构）两种；与非型CAM字结构是指组成CAM字结构的多个CAM单元之间通过与非逻辑来控制字结构匹配线ML上的输出信号，与非型CAM字结构中的CAM单元多为异或非型CAM单元；或非型CAM字结构是指组成CAM字结构的多个CAM单元之间通过或非逻辑来控制字结构匹配线ML上的输出信号，或非型CAM字结构中的CAM单元多为异或型CAM单元。

为了降低CAM功耗，本领域研究人员又设计出一种混合型CAM字结构。如图2所示，该混合型CAM字结构可以包括与非型块101、或非型块103以及字结构控制电路102三部分；与非型块101中的CAM单元与或非型块103中的CAM单元共同存储了一个CAM字的数据；与非型块101的实现原理类似于与非型CAM字结构，或非型块103的实现原理类似于或非型CAM字结构；字结构控制电路102根据与非型块101中第一匹配线ML1上的输出信号以及或非型块103中第二匹配线ML2上的输出信号确定出字结构匹配线ML上的输出信号。

上述的混合型CAM字结构虽然比与非型CAM字结构和或非型CAM字结构具有更低的功耗，但是本申请的发明人发现这种混合型CAM字结构至少存在如下问题：

（1）在与非型块101中，如果前一次匹配时与非型块101的比较结果是匹配，那么第一匹配线ML1上为低电平，反相器F的输出为高电平，第二NMOS（Negative channelMental Oxide Semiconductor，N型金属氧化物半导体）晶体管N2和第三NMOS晶体管N3均导通，因此反相器F与第二NMOS晶体管N2形成一个半锁存结构，反相器F锁存为高电平，第二NMOS晶体管N2锁存为导通；在前一次匹配结束并进入本次匹配的预充阶段时，第一PMOS（Positive channel Metal Oxide Semiconductor，P型金属氧化物半导体）晶体管P1导通，第一PMOS晶体管P1与第二NMOS晶体管N2形成一个直流通路，因此引起了直流功耗；如果此时第一PMOS晶体管P1和第二NMOS晶体管N2的尺寸设置不恰当，则很有可能导致反相器F不能翻转，并且可能使第一匹配线ML1无法预充到合格的高电平，进而影响CAM的正常工作。