[发明专利]一种高密度三态内容寻址存储器及其寻址方法

说明书

本发明公开了一种高密度三态内容寻址存储器及其寻址方法，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。本发明提供的高密度三态内容寻址存储器及其寻址方法，具有存储密度大和可靠性强特点。

技术领域

本发明涉及嵌入式控制技术领域，尤其是涉及一种高密度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 addressablememory，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高密度存储器来实现高密度TCAM。在国际上，著名的研究机构包括IBM、NEC和Tohoku大学、TSMC和中国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 onVLSI Circuits（VLSIC，大规模集成电路研讨会）从2011年到2016年连续六年报道高密度TCAM的相关成果，相比传统TCAM，现有的高密度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，新型存储器的高密度特性使得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，现有的高密度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的高密度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，导致相应的高密度TCAM中的“0”和“1”信号之间的存储窗口小。对于基于RRAM的高密度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，现有的最小高密度TCAM单元面积仍有50F2（F为每个工艺代下的特征尺寸）。由于现有的高密度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

为解决现有技术的不足，实现减小存储单元体积，增大存储器存储密度，提高存储器可靠性，使存储器的3D集成成为可能的目的，本发明采用如下的技术方案：