[发明专利]搜索内容可寻址存储器的系统和方法、电路和存储器操作方法

说明书

技术领域

本发明涉及内容可寻址存储器(CAM)，并且更具体地涉及用于在CAM阵列中执行搜索操作的电路和方法。

背景技术

在标准计算机存储器(例如随机存取存储器(RAM))中，用户提供存储器地址并且RAM返回在该存储器地址处存储的数据字。与标准计算机存储器相对照，内容可寻址存储器(CAM)接收来自用户的数据字并在单个操作中搜索整个CAM阵列，并确定数据字是否被存储在CAM阵列内的任何地方。因为CAM在单个操作中搜索其全部存储器，因此在搜索应用中其比RAM快得多。

有两种类型的CAM：二进制CAM和三进制CAM(TCAM)。二进制CAM提供对二进制位(即零和一(0，1))、包括数据字的存储和搜索。三进制CAM提供对三个状态、即零、一和“随意”位(0，1，X)的存储。三进制CAM的“随意”位实现搜索数据字中的增大的适应性。例如，三进制CAM可以存储数据字“11XX0”，其将匹配搜索到的以下任意数据字："11000",11010","11100"和"11110"。

CAM经常用于计算机网络装置中。例如，当网络交换机从其端口之一收到数据帧时，它利用该帧的源地址和接收端口的标识符更新内部地址表。网络交换机然后在内部地址表中查找该数据帧的目的地址以确定该数据帧应当被转发到的端口，并将该数据帧发送到其在该端口上的目的地址。内部地址表通常通过二进制CAM被实施，使得数据帧被快速转发给正确的端口，从而减少网络交换机的等待时间。

TCAM经常用于网络路由器中，在网络路由器中每个地址具有网络地址和主机地址，网络地址的大小根据子网配置而变化，主机地址占用剩余位。网络地址和主机地址通过用于网络的每个子网的网络掩码被区分。在网络中将信息路由到其目的地需要路由器查找包含每个已知目的地址、相关联的网络掩码和将数据包路由到目的地地址所需的路由信息的路由表。路由被TCAM快速地执行，TCAM利用“随意”位掩蔽地址的主机部分。在一个操作中掩蔽主机地址并比较目的地址的TCAM快速地检索将数据包路由到目的地址所需的路由信息。

在搜索CAM(二进制的或三进制的)时，搜索数据被加载到搜索线上并与CAM中存储的字相比较。在搜索和比较操作期间，CAM执行完全并行的搜索并生成与每个被存储的字相关联的匹配或失配信号，其指示搜索字是否匹配被存储的字。

为了允许所有被存储的字与单个搜索字之间的该快速并行比较，每个CAM字包含专用的搜索硬件。每个CAM单元包含附加的位比较晶体管和存储元件，该存储元件通常被实施为静态随机存取存储器(SRAM)单元。该附加的电路装置跨CAM字与匹配线(ML)相结合，以产生针对每个CAM字的匹配或失配信号。该搜索硬件允许CAM阵列的全部内容在单个时钟周期中被搜索，例如，所有被存储的CAM字被并行搜索。因此，与通常会需要1K个时钟周期来完成对存储器的1K个字的搜索的标准存储器(例如，SRAM和DRAM)相对照，CAM具有在单个时钟周期中同时搜索所有条目的能力。

遗憾的是，随着技术缩减至亚微米几何结构，随机器件变化(RDV)变得更加突出。诸如晶体管长度、晶体管宽度和晶体管阈值电压之类的参数的RDV即使在被同样地设计的相邻器件中也可能是显著的。RDV的影响在半导体存储器的设计中是特别明显的。因为大多数存储器依赖于传感放大器来检测大电容阵列线上的小电压信号，因此存储单元以及传感放大器器件中的RDV可产生不正确的结果。为了改善可靠性，存储器设计师保守地调谐他们的传感电路，由此以性能作为交换以便维持用于可靠操作的大传感裕量。

在先进技术(例如，100nm和更小的门级几何结构)中，RDV正变成改善性能的主要瓶颈。随着器件变化的增大，用于信号到达和数据捕获的时刻不确定性增大，从而需要更大的数据捕获裕量，并且因此限制性能。

由于其单端特性，在CAM搜索操作期间执行的ML传感对RDV甚至比用于SRAM读取电路中的差分传感更敏感。因此，为了维持可靠的操作，大多数ML传感方案使用全幅传感，其是缓慢的并且是功率低效的。

CAM设计权衡因此包括搜索访问时间、功率和密度。为了改善功率使用，有时使用两阶段传感方案用于搜索CAM。两阶段传感方案包括预比较(例如，预搜索)和主比较(例如，主搜索)。在预比较中，在主ML被预充电以用于功率消耗大的主比较之前将每个CAM字中的少量位与搜索字中的相对应位进行比较。当预比较显示出对于特定CAM字的丢失时，不对那个字执行主比较，因此节省与执行该主比较相关联的功率。