[发明专利]基于单片三维异质集成的三态内容寻址存储器

说明书

本发明提出了一种基于单片三维异质集成的三态内容寻址存储器，包括全局外围电路和堆叠于所述全局外围电路之上的多层三态内容寻址存储器阵列；全局外围电路包括灵敏放大电路和存储器控制电路；各层三态内容寻址存储器阵列均分别包括集成在单个芯片上的晶体管阵列外围电路、限流晶体管阵列和存储器阵列，且为2T2R阵列。本发采用单片三维异质集成技术，通过在单个芯片上异质集成多层不同材料的晶体管，充分发挥不同材料的优势，制造出在容量、功耗、速度等性能上远超传统工艺的三态内容寻址存储器。

技术领域

本发明属于存储器技术领域，特别涉及一种基于单片三维异质集成的三态内容寻址存储器。

背景技术

三态内容寻址存储器(TCAM,ternary content addressable memory)是在内容寻址存储器(CAM,content addressable memory)的基础上发展而来的。向内容寻址存储器中输入一个数据，可以返回所有存储该数据的地址。内容寻址存储器每个存储单元只能存储二进制“0”和“1”，而三态内容寻址存储器每个存储单元除了存储二进制“0”和“1”，还能存储“X”，“X”表示无论此位查找是“1”还是“0”，均返回匹配。

三态内容寻址存储器能通过硬件实现数据查找，相较于通过普通存储器和软件查找算法，如：线性查找算法、二分查找算法等，具有速度快、查询时间与数据量关系较小等优点，被广泛用于通信等领域。三态内容寻址存储器的快速数据查找功能，可以在存储器端初步筛选数据，然后再送往CPU，有利于提高处理大数据应用的效率和速度。

最初的三态内容寻址存储器只采用了晶体管，导致三态内容寻址存储器的单元面积很大、功耗很高，限制了三态内容寻址存储器的应用。近期，基于新型存储器的“2T2R”结构三态内容寻址存储器(如阻变式存储器RRAM和相变存储器PCM)被提出，极大减小了三态内容寻址存储器的单元面积，提高了它的集成度，其电路结构参见图1。每个存储单元，包括2个晶体管和2个新型存储器，分别存储1位数据。所有晶体管的源端共地，接到一个相同的地线上。三态内容寻址存储器的输入和输出端口分别作为查询线(Search line，如图1中查询线1、查询线2)和匹配线(Match line，如图1中匹配线1、匹配线2)。同一行的每个存储单元的新型存储器均接在一根匹配线上，不同行的每个存储单元的新型存储器接在不同的匹配线上。同一列的每个存储单元的晶体管均接在同一根查询线上，但同一个存储单元内的两个晶体管的输入互为反相，不同列的每个存储单元的晶体管接在不同的查询线上。

新型存储器有两个状态——高阻态(HRS)和低阻态(LRS)，每个存储单元包含两个新型存储器和两个晶体管(2T2R)。当一个存储单元内，两个新型存储器的电阻状态分别为：(1)高阻态和低阻态，表示该位存储“0”；(2)低阻态和高阻态，表示该位存储“1”；(3)高阻态和高阻态，表示该位存储“X”。查询时，当两个晶体管状态为：(1)打开和关闭，表示查询“0”；(2)关闭和打开，表示查询“1”。晶体管的打开和关闭通过查询线来控制。匹配线在查询开始时被设置为高电平，查询过程中浮空，查询结束后仍为高电平的匹配线表示该地址存储的数据与查询的数据相匹配。