[发明专利]一种非易失三态内容寻址存储器及其寻址方法

说明书

技术领域

本发明涉及嵌入式控制领域，特别是涉及一种非易失三态内容寻址存储器及其实现方法。

背景技术

在大数据和云计算时代，随着各种智能设备的普及，大量的数据随之产生，同时也需要网络进行传输。为了提高数据传输效率和安全性，在路由器中对数据进行筛选变得非常必要。传统基于软件的筛选方法主要依赖CPU(中央处理器)和主存之间进行多次存取和比较操作实现，时间成本和功耗代价都比较大。而TCAM(ternary content addressable memory，三态内容寻址存储器)作为一种硬件层面的解决方案，可以通过并行比较实现快速高效的查找和匹配，较好地解决了传统软件实现方法存在的问题。

TCAM的快速查找和匹配往往是以芯片面积的增长和功耗的增加为代价。传统的TCAM设计以SRAM(静态随机存取存储器)为基础，单个TCAM单元往往需要12-16个晶体管，单元面积过大导致TCAM存储密度很难提升，同时，面积大也导致寄生电容较大，造成动态(active)功耗较大。另外，传统的TCAM继承了SRAM的易失特性，静态(standby)模式不能切断电源，否则所存储的信息丢失，这一特性也导致其静态功耗较大。

针对传统TCAM存在的问题，目前的一个研究热点是如何基于新型非易失存储器来实现高密度非易失TCAM。在国际上，著名的研究机构包括IBM、NEC和Tohoku大学、TSMC和台湾清华大学等在集成电路领域的旗舰会议ISSCC(国际固态集成电路会议)和Symposium on VLSI Circuits(VLSIC,大规模集成电路研讨会)从2011年到2016年连续六年报道非易失TCAM的相关成果，相比传统TCAM，现有的非易失TCAM具有单元面积较小、静态功耗低等优点。首先，TCAM单元中晶体管数目减少到2-6个，大大减小了TCAM单元的面积，其次，新型存储器的非易失特性使得TCAM在休眠状态下可以彻底断电而不用担心信息丢失，有利于减小了静态功耗。但是，现有的非易失TCAM方案仍存在一些问题，主要表现在：

“0”和“1”信号之间的存储窗口较小，对于基于MRAM的非易失TCAM，由于MRAM本身Roff/Ron(Ron为低阻，Roff为高阻)较小，且易受波动影响，导致相应的非易失TCAM中的“0”和“1”信号之间的存储窗口小。对于基于RRAM的非易失TCAM，由于其主要依赖RRAM存储电阻与晶体管之间分压获得“0”或“1”，而晶体管和RRAM存储电阻在小尺寸时波动都比较大，且波动规律不一致，导致所得到的“0”和“1”信号之间的存储窗口易受波动影响而变差。

TCAM单元的面积仍然较大，现有的最小非易失TCAM单元面积仍有50F2(F为每个工艺代下的特征尺寸)。由于现有的非易失TCAM单元仍需要晶体管的辅助才能实现TCAM功能，而晶体管需要制作在CMOS前段工艺上，这样一方面撑大TCAM单元的面积，另一方面也限制了TCAM单元三维(3D)集成的可能性，也不利于发挥RRAM的3D可集成能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种存储密度大和可靠性强的非易失三态内容寻址存储器及其寻址方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种非易失三态内容寻址存储器，所述存储器包括：搜索线、匹配线、互补搜索线和多个存储单元，所述存储单元包括第一存储电阻和第二存储电阻，所述第一存储电阻的第一端与所述搜索线相连，所述第一存储电阻的第二端与所述匹配线相连，所述第二存储电阻的第一端与所述互补搜索线相连，所述第二存储电阻的第二端与所述匹配线相连。

可选的，所述存储单元还包括第一限流器件和第二限流器件，所述第一存储电阻的第一端与所述第一限流器件串联后再与所述搜索线相连，所述第二存储电阻的第一端与所述第二限流器件串联后再与所述互补搜索线相连。

可选的，所述多个存储单元呈阵列式排布，位于同一行上的所述存储单元共用一条匹配线，不位于同行上的所述存储单元不共用一条匹配线，位于同一列上的所述存储单元共用一条搜索线和互补搜索线，不位于同一列上的所述存储单元不共用同一条搜索线，且不位于同一列上的所述存储单元不共用同一条互补搜索线。

可选的，所述存储器还包括：

匹配线驱动电路，所述匹配线驱动电路与所述匹配线相连，所述匹配线驱动电路用于产生置位电压；

搜索线驱动电路，所述搜索线驱动电路分别与所述搜索线、所述互补搜索线相连，所述搜索线驱动电路用于产生复位电压；