CAM器件及其操作方法与流程

本公开涉及半导体器件及集成电路技术领域，尤其涉及一种cam器件及其操作方法。

背景技术：

与普通的存储器不同，内容可寻址存储器(contentaddressablememory，简称cam)是通过输入内容来查找数据所在的地址，这个性质使得它在模式识别、网络路由和数据搜索等领域应用十分广泛。

然而，现有技术中的cam器件基于静态随机存取存储器(sram，staticrandomaccessmemory)实现。以应用较为广泛的三态内容可寻址存储器(ternarycontentaddressablememory，简称tcam)为例，单个存储器单元可实现存储、搜索三种状态，如‘0’、‘1’和‘x’。但是，tcam需要十几个互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，简称cmos)晶体管来构建，而且当其处于非查找状态时，为了使保存的数据不丢失，整个系统也需要持续供电，导致待机功耗会很大。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为至少部分解决现有技术中的cam器件在面临当今海量数据搜索查询的情况时，功耗过大且器件尺寸无法有效减小的技术问题，本公开提供了一种多值cam器件及其操作方法。

(二)技术方案

本公开的一方面提供了一种cam器件的操作方法，其中，包括步骤s1-s3。在步骤s1中，基于预设存储规则，将待搜索数据存储到cam器件的cam单元；在步骤s2中，将待查找数据转换为字线电压施加到cam单元的字线上；在步骤s3中，对待查找数据与待搜索数据进行匹配操作，以完成查找搜索过程；

其中，cam单元包括第一晶体管和第二晶体管。第二晶体管与第一晶体管相邻，且基于源极-漏极连接的形式与第一晶体管串联；其中，第一晶体管和第二晶体管为3dnandflash存储阵列中的存储单元，cam单元用于存储多比特数据。

根据本公开的实施例，预设存储规则为第一晶体管和第二晶体管的阈值电压组合和待搜索数据的逻辑值之间的存储逻辑关系。

根据本公开的实施例，在步骤s1中，包括：通过cam器件的位线、漏极选择线、字线、源极选择线和源线对cam器件施加存储电压，以通过擦除操作和编程操作，将待搜索数据存储到cam单元中。

根据本公开的实施例，通过擦除操作和编程操作，将待搜索数据存储到cam单元中，包括：对cam单元的第一晶体管或第二晶体管执行编程操作，以提升第一晶体管或第二晶体管的阈值电压；对cam单元的第一晶体管或第二晶体管执行擦除操作，以降低第一晶体管或第二晶体管的阈值电压；基于第一晶体管和第二晶体管的阈值电压组合，将对应的待搜索数据的逻辑值存储在cam单元中。

根据本公开的实施例，第一晶体管的阈值电压随存储的待搜索数据的逻辑值增大而减小；第二晶体管的阈值电压随存储的待搜索数据的逻辑值增大而增大；其中，第一晶体管靠近源极选择线，第二晶体管靠近漏极选择线。

根据本公开的实施例，在步骤s2中，包括：将待查找数据的逻辑值转换为第一字线电压施加到cam单元的第一字线上；以及将待查找数据的逻辑值转换为第二字线电压施加到cam单元的第二字线上；其中，第一字线连接第一晶体管的栅端，第二字线连接第二晶体管的栅端。

根据本公开的实施例，第一字线电压随待查找数据的逻辑值的增大而增大；第二字线电压随待查找数据的逻辑值的增大而减小。

根据本公开的实施例，在步骤s3中，包括：对cam单元所在的单元串的漏极选择线和源极选择线同时施加高电压；对被选中单元串的位线施加驱动电压，对其他未被选中的位线接地，以获取单元串对应的源线输出电流；通过源线输出电流，确定待查找数据与待搜索数据的匹配操作。

根据本公开的实施例，源线输出电流为高时，第一晶体管和第二晶体管中均处于导通状态；源线输出电流为低时，第一晶体管和第二晶体管中至少之一处于关断状态。

根据本公开的实施例，cam单元所在的单元串中对应的位线与一个预充电压管连接，位线上串联一个灵敏放大器，其中，在步骤s3中，包括：在单元串的对应字线、源极选择线和漏极选择线上施加低电压；通过预充电压管将单元串的位线电压抬升至高电平；在预充电压管关闭状态下，对单元串施加对应待查找数据的逻辑值的字线电压和源极选择线电压。

根据本公开的实施例，在步骤s3中，还包括：对被选中单元串的漏极选择线施加高电压，对其他未被选中的漏极选择线施加低电压；通过灵敏放大器获取单元串的位线放电速率；通过位线放电速率，确定待查找数据与待搜索数据的匹配操作。

根据本公开的实施例，位线放电速率为高时，第一晶体管和第二晶体管中均处于导通状态；位线放电速率为低时，第一晶体管和第二晶体管中至少之一处于关断状态。

根据本公开的实施例，第一晶体管和第二晶体管均处于导通状态时，确定待查找数据与待搜索数据匹配；第一晶体管和第二晶体管中至少之一处于关断状态时，确定待查找数据与待搜索数据不匹配。

本公开的另一方面提供了一种cam器件，其中，cam器件基于3dnandflash存储阵列实现，cam器件用于实现上述的操作方法。

(三)有益效果

与现有技术相比，本公开实施例中所提供的基于3dnandflash存储阵列的多值cam器件及其操作方法，具有以下有益效果：

(1)由于3dnandflash存储阵列属于非易失性存储器，使得本公开实施例的cam器件在掉电之后存储的数据不会丢失，在非查找状态不需要持续供电。所以，相比传统的基于sram存储阵列的cam器件而言，本公开实施例的cam器件待机功耗极低，甚至没有待机功耗。

(2)由于3dnandflash本身高密度存储的特性，相对于传统cam器件而言，本公开实施例的cam器件在相同集成电路面积上可以实现更多的cam单元。也即，本公开实施例的cam器件在同样数量的存储单元情况下，器件整体尺寸可以控制到更小。

(3)由于本公开实施例的cam单元可以实现在单个cam单元内存储多比特数据(即多值cam单元)，相较于传统的tcam而言，极大地提升了整个存储系统的数据容量。

附图说明

图1示意性示出了现有技术中应用于匹配操作的传统cam器件的模块图；

图2示意性示出了本公开实施例的cam器件的基本结构图；

图3示意性示出了本公开实施例的cam器件的操作方法流程图；

图4示意性示出了本公开实施例的cam器件应用于多位存储的阈值分布图；

图5示意性示出了本公开实施例的对应电流模式下的匹配操作的cam器件单元串的结构图；

图6示意性示出了本公开实施例的对应电压模式下的匹配操作的cam器件单元串的结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序或是制造方法上的顺序，这些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把他们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把他们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的代替特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

图1示意性示出了现有技术中应用于匹配操作的传统cam器件的模块图。

cam器件的写操作和读操作，与普通的随机访问存储器相同。查找操作是cam器件的最主要用途。相较于随访问存储器以数据地址作为索引，cam器件是以数据内容作为索引，从巨大的数据库中进行大规模并行搜索，返回数据的最佳匹配地址。

如图1所示，待查找的数据通过输入模块110经搜索线(searchline，简称sl)输入，与cam器件中存储阵列120中各个存储区块1201-120m中预先存储的待搜索数据#1-#m进行比较，然后通过匹配线(matchline，简称ml)连接到输出模块130，最终输出一个与待搜索数据最接近的匹配地址。

现有技术中的cam器件主要有(binarycontentaddressablememory，简称bcam)和(ternarycontentaddressablememory，简称tcam)两种器件，其中bcam器件每个存储单元可以存储(或搜索)1bit(比特)数据，即“0”和“1”；tcam器件在其基础上增加了通配符“x”这一模糊态，但仍然是单个存储单元只存储(或搜索)1bit数据。

可见，随着人工智能和大数据技术的快速发展，供搜索查找的数据量呈爆炸式增长，传统的cam器件的实现方法将会对现有器件的功耗和器件尺寸(如电路面积)带来巨大的挑战。因此，亟需发展一种低功耗、高密度的cam器件实现方法，以满足海量数据搜索查询的要求。

为至少部分解决现有技术中的cam器件在面临海量数据搜索查询的情况时，功耗过大且器件尺寸无法有效减小的技术问题，本公开提供了一种基于3dnandflash阵列实现的多值cam器件及其操作方法，其中，该cam器件的单个存储单元可以存储和搜索多bit数据，从而扩大整个cam系统的存储容量，以降低处理功耗，同时减小器件尺寸。

图2示意性示出了本公开实施例的cam器件的基本结构图。

如图2所示，本公开的另一方面提供了一种cam器件200，其中，cam器件基于3dnandflash存储阵列实现，cam器件200用于实现上述的操作方法。

具体地，如图2所示，在cam器件200所处的空间中，沿着字线(wordline，简称wl)计数增长(即wl1-wlm)的方向为z方向，位线(bitline，简称bl)延伸的方向为y方向，漏极选择线(drainselectline，简称dsl)延伸的方向为x方向，以此可以将cam器件的空间方向或位置予以定义。

如图2所示，bl线和dsl线垂直交叉，在x-y平面内可以确定一个具体的3dnandflash单元串以构成本公开实施例的一个cam单元串，其中该cam单元串由多个nandflash存储单元通过源漏串联的形式连接构成，多个cam单元串可以构成一个存储区块(block)，至少一个存储区块构成本公开实施例的cam器件。其中，wl线则负责在z方向上确定该cam单元串中需要进行操作的nandflash存储单元。

具体地，在结构上，最上面一层的晶体管为漏极选择管，用于对3dnandflash存储阵列进行操作时，对y方向进行定位，所有沿x方向的晶体管的栅极连在一起，记为dsl线，共有n条dsl线；沿y方向的晶体管的漏极都连在一起，记为bl线，用于x方向的定位，共有k条bl线；所有z方向高度相同的nandflash存储单元的栅极连在一起，记为wl线，共有m条wl。

其中，如图2所示，最下面一层的晶体管称为源极选择管，所有的栅极连在一起，记为源极选择线(sourceselectline，简称ssl)，一个存储块(block)只有一条ssl；沿x方向的一行晶体管源极都连在一起，引出一条源线(sourceline，简称sl，与上述传统cam结构中的搜索线意义并不相同)作为输出，一个block共有n条sl线，与dsl线的数量相同。

其中，每个nandflash存储单元为一个晶体管。在z方向上，多个晶体管源极-漏极串联构成一个cam单元串，如图4和图5所示。每个cam单元串一端的晶体管的漏极连接dsl上的对应漏极选择管，另一端的晶体管的源极连接ssl上对应的源极选择管。

接下来结合图2-图5所示内容，具体阐述本公开实施例中基于3dnandflash存储阵列的多值cam器件用于实现数据存储和搜索功能的操作方法。

图3示意性示出了本公开实施例的cam器件的操作方法流程图。

如图3所示，本公开的一方面提供了一种cam器件的操作方法，其中，包括步骤s1-s3。

在步骤s1中，基于预设存储规则，将待搜索数据存储到cam器件的cam单元；

在步骤s2中，将待查找数据转换为字线电压施加到cam单元的字线上；

在步骤s3中，对待查找数据与待搜索数据进行匹配操作，以完成查找搜索过程；

其中，cam单元包括第一晶体管和第二晶体管。第二晶体管与第一晶体管相邻，且基于源极-漏极连接的形式与第一晶体管串联；其中，第一晶体管和第二晶体管为3dnandflash存储阵列中的存储单元，cam单元用于存储多比特数据。

在步骤s1中，将待搜索数据预先存储到3dnandflash存储阵列中，具体地，通过向3dnandflash存储阵列共同施加相应的驱动电压，将待搜索数据写入到3dnandflash阵列中，数据表现形式为两个特定的nandflash单元的阈值电压组合方式。其中，基于3dnandflash存储阵列构成本公开实施例的cam器件，两个特定的nandflash单元的阈值电压组合实际为第一晶体管和第二晶体管的阈值电压组合，也即两个nandflash存储单元构成一个本公开实施例的cam存储单元(即cam单元)，多个cam单元构成本公开实施例的cam器件。

其中，该第一晶体管和第二晶体管在不同驱动电压下所形成的阈值电压组合，可以决定与待搜索数据中各个数据之间的对应关系，从而定义本公开实施例中的预设存储规则。

待搜索数据为预先存储到cam器件中cam单元的对应不同逻辑值的数据的集合，待查找数据为该逻辑值的数据集合中的某一个或多个数据，此外待查找数据也可以为非该数据集合中的某一个或多个数据。例如，数据1#-#m分别对应逻辑值为“0”、“1”、“2”...“j-1”、“j”以及“x”中的数据，则当数据集合{0，1，2，...，j-1，j，x}为待搜索数据并预存储到cam器件中对应的cam单元时，待查找数据对应逻辑值为“0”、“1”、“2”...“j-1”、“j”以及“x”中的某一个数据，如“0”或“x 1”。当运行本公开实施例的操作方法时，则待查找数据“0”与待搜索数据{0，1，2，...，j-1，j，x}为搜索匹配，查找成功；则待查找数据“x 1”与待搜索数据{0，1，2，...，j-1，j，x}为搜索不匹配，查找失败。

在完成待搜索数据的存储之后，进行cam器件中的数据搜索操作。在步骤s2中，待查找数据转换成字线电压施加在3dnandflash阵列的对应字线上。具体地，通过不同的字线电压的控制，可以对已存储有待搜索数据的集合中的特定存储数据逻辑值的cam单元实现相应的导通状态或关断状态，从而实现输入数据和存储数据的匹配操作。也即，待查找数据与待搜索数据之间的匹配与否，取决于cam单元中的第一晶体管和第二晶体管是处于导通还是关闭状态。

在匹配结果的搜索过程中，根据所选用的物理量不同，可以将搜索匹配的过程分为电流探测模式(即电流模式，对电流进行探测匹配)和电压探测模式(即电压模式，对电压进行探测匹配)。在不同探测模式下，可以对待查找数据和待搜索数据之间进行不同的匹配操作，以判断其相应的cam单元的第一晶体管和第二晶体管是处于导通还是关闭状态，并据此判断整个查找过程中数据的匹配与否。

因此，相对现有技术而言，有鉴于作为非易失性存储器的3dnandflash存储阵列由于具有高密度存储的特性，使得本公开实施例的cam器件待机功耗极低，甚至没有待机功耗，进一步地，在同样数量的存储单元情况下，器件整体尺寸可以控制到更小，同时能够极大地提升整个存储系统的数据容量。

图4示意性示出了本公开实施例的cam器件应用于多位存储的阈值分布图。

如图4所示，根据本公开的实施例，预设存储规则为第一晶体管和第二晶体管的阈值电压组合和待搜索数据的逻辑值之间的存储逻辑关系。

预设存储规则实际涉及本公开实施例中逻辑存储的信息编码方式，如下述表1所示。在本公开的实施例中，一个nandflash单元串(即cam单元串)中上下两个相邻的flash单元对(即第一晶体管t和第二晶体管t’所构成的cam单元cam1，cam2...camm中之一)来表示1个多值cam单元，也即存储或搜索1个多bit数据，记第一晶体管t和第二晶体管t’所对应连接的两根字线分别为wl和wl’(如图5和图6所示，假定wl在下，wl’在上)。通过第一晶体管t和第二晶体管t’因字线电压所产生的不同阈值电压之间的组合来表示不同的存储逻辑值(如“0”、“1”、“2”...“j-1”、“j”以及“x”中之一)。

表1

其中，如图4所示，在本公开实施例中，通过基于3dnandflash存储阵列所形成cam器件具有多位存储的特性，假设每个nandflash单元存储nbit的数据，则对应的cam单元需要有2ⁿ种阈值电压状态，即在图4的阈值电压分布图中，j＝2ⁿ-1，共有j 1种阈值电压状态，如vth0、vth1、vth2...vthj，同时也就有j 1个读取电压值，如v0、vth1、vth2...vj。其中，本公开实施例中的单个cam单元所能存储(或搜索)的数据比特数不超过所使用的3dnandflash阵列的存储单元的比特数。

根据本公开的实施例，在步骤s1中，包括：通过cam器件的位线、漏极选择线、字线、源极选择线和源线对cam器件施加存储电压，以通过擦除操作和编程操作，将待搜索数据存储到cam单元中。

在步骤s1中，通过擦除和编程操作，将待搜索数据预先存储到本公开实施例的cam器件的3dnandflash存储阵列中。经位线、漏极选择线、字线、源极选择线和源线向3dnandflash存储阵列共同施加相应的驱动电压，从而将供查找待搜索数据写入到3dnandflash阵列中。

根据本公开的实施例，通过擦除操作和编程操作，将待搜索数据存储到cam单元中，包括：对cam单元的第一晶体管或第二晶体管执行编程操作，以提升第一晶体管或第二晶体管的阈值电压；对cam单元的第一晶体管或第二晶体管执行擦除操作，以降低第一晶体管或第二晶体管的阈值电压；基于第一晶体管和第二晶体管的阈值电压组合，将对应的待搜索数据的逻辑值存储在cam单元中。

在上述步骤s1中，当进行编程操作时，cam单元中的各个nandflash存储单元的衬底的电子在栅极电压(即字线电压)的控制下会通过隧穿层进入到浮栅层中，从而造成对应的nandflash单元的阈值电压上升；相应地，当进行擦除操作时，在栅极电压的控制下电子会从浮栅层出去或有空穴进入到浮栅层中，此时对应的nandflash单元的阈值电压下降。因此，本公开实施例的cam单元才可以具有更好的查找搜索逻辑，以便于更好的实现相应地匹配操作，提升cam器件的整体性能。

根据本公开的实施例，第一晶体管的阈值电压随存储的待搜索数据的逻辑值增大而减小；第二晶体管的阈值电压随存储的待搜索数据的逻辑值增大而增大；其中，第一晶体管靠近源极选择线，第二晶体管靠近漏极选择线。

如上述表1所示，多值cam单元存储的逻辑值与nandflash单元对(即第一晶体管t和第二晶体管t’)的阈值电压有如下对应关系：cam单元中下方的第一晶体管t的阈值电压随存储逻辑值的增大而增大，单元对中处于上方的第二晶体管t’的阈值电压随存储逻辑值的增大而减小。例如，存储逻辑值‘0’时，第一晶体管t为vth0(擦除状态)，第二晶体管t’为vthj(最高编程状态)；存储逻辑值‘1’时，第一晶体管t增大为vth1，第二晶体管t’减小为vthj-1，...以此类推，存储最大逻辑值‘j’时，第一晶体管t增大为vthj，第二晶体管t’减小为vth0。此外，本公开实施例中cam单元同样支持存储通配符‘x’态，此时第一晶体管t和第二晶体管t’均为擦除状态。

其中，如图2、图5和图6所示，在同一cam单元串中，第一晶体管t(对应cam单元cam1中wl1…cam单元camm-1中wli-1、cam单元camm-1中wli)靠近源极选择线ssl，第二晶体管t’(对应cam单元cam1中wl1’...cam单元camm-1中wli-1’、cam单元camm-1中wli’)靠近源极选择线dsl。

因此，本公开实施例的cam单元才可以具有更好的查找搜索逻辑，以便于更好的实现相应地匹配操作，提升cam器件的整体性能。

根据本公开的实施例，在步骤s2中，包括：将待查找数据的逻辑值转换为第一字线电压施加到cam单元的第一字线上；以及将待查找数据的逻辑值转换为第二字线电压施加到cam单元的第二字线上；其中，第一字线连接第一晶体管的栅端，第二字线连接第二晶体管的栅端。

如图2、图5和图6所示，在一个cam单元中，如cam单元cam1中，第一晶体管t所对应的是连接到该晶体管t的栅端的第一字线wl1，第二晶体管t’所对应的是连接该晶体管t’的栅端的第二字线wl1’。其中，第一晶体管t和第二晶体管t’结构相邻，当分别对该两条字线wl1和wl1’施加与预设匹配规则(对应于预设存储规则设置，如表1中搜索逻辑所示)对应的字线输入电压(第一字线电压或第二字线电压)时，则通过响应的栅端电压将待查找数据转换为加在该cam单元cam1的栅端电压，从而完成该待查找数据的逻辑值的输入。

根据本公开的实施例，第一字线电压随待查找数据的逻辑值的增大而增大；第二字线电压随待查找数据的逻辑值的增大而减小。

如图2、图5和图6所示，结合上述表1所示搜索逻辑的内容，第一晶体管t对应的第一字线wl的字线输入电压(即第一字线电压)随待查找数据中对应的搜索逻辑值的增大而增大，第二晶体管t’对应的第二字线wl’的字线输入电压(即第二字线电压)随待查找数据中对应的搜索逻辑值的增大而减小。例如，搜索逻辑值‘0’时，第一字线wl的第一字线电压为v0(最低读电压，与vth0相对应)，第二字线wl’的第二字线电压为vj(最高读电压，与vthj相对应)；搜索逻辑值‘1’时，第一字线wl的第一字线电压增大为v1，第二字线wl’的第二字线电压减小为vj-1，以此类推，搜索最大逻辑值‘j’时，第一字线wl的第一字线电压增大为vj，第二字线wl’的第二字线电压减小为v0。同样地，搜索通配符‘x’态时，第一字线wl的第一字线电压和第二字线wl’的第二字线电压均为最高读电压vj。

具体地，如表1所示，例如某一个多值cam单元存储的待搜索数据的存储逻辑值为“2”，则第一晶体管t和第二晶体管t’中，第一晶体管t的阈值电压为vth2，第二晶体管t’的阈值电压为vthj-2。其中，当待查找数据的搜索逻辑值也为“2”时，则字线对中的第一字线wl施加输入电压v2，第二字线wl’施加输入电压vj-2，则第一晶体管t和第二晶体管t’上施加的字线电压均高于其自身的阈值电压，使得两个晶体管都同时处于导通状态，也即该对应cam单元处于导通状态。相应地，当待查找数据的逻辑值不为“2”，无论其逻辑值是偏小还是偏大都会使得cam单元中的一个晶体管(第一晶体管或第二晶体管)上施加的字线电压低于其自身的阈值电压，导致对应的该晶体管将处于关断状态，此时该对应cam单元处于关断状态。

因此，由于cam单元中的晶体管的串行连接关系，只有上下两个nandflash单元都导通时，该cam单元才会处于导通状态，进而完成对整个3dnandflash单元串中电流的传导(对应电流模式)或电压的释放(对应电压模式)。因此，通过上述查找过程就实现了单个cam单元从输入数据到存储数据过程中的匹配操作。

图5示意性示出了本公开实施例的对应电流模式下的匹配操作的cam器件单元串的结构图。

根据本公开的实施例，在步骤s3中，包括：对cam单元所在的单元串的漏极选择线和源极选择线同时施加高电压；对被选中单元串的位线施加驱动电压，对其他未被选中的位线接地，以获取单元串对应的源线输出电流；通过源线输出电流，确定待查找数据与待搜索数据的匹配操作。

根据本公开的实施例，源线输出电流为高时，第一晶体管和第二晶体管中均处于导通状态；源线输出电流为低时，第一晶体管和第二晶体管中至少之一处于关断状态。

在步骤s3中，如图2和图5所示，对应于电流模式下，在相应的位线上施加驱动电压，在漏极选择线dsl和源极选择线ssl上均施加高电压，将相应的选择晶体管置于导通状态，从该cam单元串的阵列某侧边缘的位线开始，每次只选择一条位线施加驱动电压，其余未被选中的位线全部接地，通过源线sl上输出的电流大小来判断待查找数据和存储的待搜索数据的匹配情况。

如图2和图5所示，在电流模式下，cam单元串作为连接位线bl和源线sl的信号通路，搜索操作从阵列边缘一侧的位线bl开始，每次只选择一根位线bl施加驱动电压，其他未选中的位线bl接地，如果某一条源线sl输出电流为低，则表示该单元串上至少有一个晶体管处于关断状态，说明搜索结果为至少有一个数据不匹配；如果所有的源线sl输出电流均为低，则接下来选择对相邻的下一条bl施加驱动电压，此时其余的bl都接地，如此往复循环，直至搜索到某条源线sl输出电流为高，表示该源线sl对应的cam单元串上的所有cam单元均导通，说明待查找数据和待搜索数据完全匹配，整个查找匹配过程结束。

由于是探测源线sl电流大小，所以该电流模式下的单个block中cam单元的数据查找搜索并行度取决于源线sl(或漏极选择线dsl)的数目。

图6示意性示出了本公开实施例的对应电压模式下的匹配操作的cam器件单元串的结构图。

根据本公开的实施例，cam单元所在的单元串中对应的位线与一个预充电压管连接，位线上串联一个灵敏放大器，其中，在步骤s3中，包括：在单元串的对应字线、源极选择线和漏极选择线上施加低电压；通过预充电压管将单元串的位线电压抬升至高电平；在预充电压管关闭状态下，对单元串施加对应待查找数据的逻辑值的字线电压和源极选择线电压。

根据本公开的实施例，在步骤s3中，还包括：对被选中单元串的漏极选择线施加高电压，对其他未被选中的漏极选择线施加低电压；通过灵敏放大器获取单元串的位线放电速率；通过位线放电速率，确定待查找数据与待搜索数据的匹配操作。

根据本公开的实施例，位线放电速率为高时，第一晶体管和第二晶体管中均处于导通状态；位线放电速率为低时，第一晶体管和第二晶体管中至少之一处于关断状态。

如图2和图6所示，在电压模式下，需在每一条位线bl上连接一个预充电压管pre，作用是在每次搜索操作开始前，先将各条位线bl的位线电压抬升至高电平，以供后续匹配阶段的放电使用。具体地，是先将字线wl和各选择线(如漏极选择线dsl和源极选择线ssl)接低电压，利用预充电压管pre将各条位线bl的位线电压预充至高电平(也即电源电压vdd)，然后关闭预充电压管pre，施加对应的字线输入电压(也即待查找数据)和源极选择线电压，从该block阵列某侧边缘的漏极选择线dsl开始，选择一条漏极选择线dsl施加高电压，其余未被选中的漏极选择线dsl施加低电压，利用灵敏放大器(senseamplifier，简称sa)来探测位线bl上的放电速率，进而判断待查找数据和存储的待搜索数据之间的匹配情况。

其中，cam器件中的不同block之间也可以进行并行搜索，据此可以满足本公开实施例中cam器件的超大规模并行搜索需求。

如图2和图6所示，在电压模式下，cam单元串作为位线bl节点电压对地的放电通路，先将字线wl和各路选择线(如漏极选择线dsl和源极选择线ssl)接低电压，利用预充电压管pre将各位线电压预充至高电平(也即电源电压vdd)，然后关闭预充电压管pre，施加对应的字线输入电压(也即待查找数据)和源极选择线电压，搜索操作从阵列边缘一侧的漏极选择线dsl开始，每次只选择一根漏极选择线dsl施加高电压，其他未选中的漏极选择线dsl施加低电压，通过灵敏放大器sa探测位线bl节点电压的放电速率，如果某一条位线放电速率为低，表示该单元串上至少有一个晶体管处于关断状态，说明搜索不匹配；如果所有的位线bl放电速率均为低，则进行下一次搜索操作，先进行预充操作，然后选择相邻的下一条漏极选择线dsl施加高电压，此时其余的漏极选择线dsl都接低电压，以此往复循环，直至搜索至某条位线的放电速率为高，此时，表示该cam单元串上的所有晶体管均处于导通状态，说明待查找数据和存储的待搜索数据完全匹配，整个查找过程结束。

其中，由于是探测位线电压的放电速率，所以该模式下的单个block中cam器件中搜索并行度取决于位线bl的数目。

根据本公开的实施例，第一晶体管和第二晶体管均处于导通状态时，确定待查找数据与待搜索数据匹配；第一晶体管和第二晶体管中至少之一处于关断状态时，确定待查找数据与待搜索数据不匹配。

需要进一步说明的是，如图2所示，本公开实施例中基于3dnandflash阵列的cam器件的规模可以满足：存储的待搜索数据的位宽最大为m/2(结果向下取整)，每次可并行搜索的数据个数为n(电流探测模式)或k(电压探测模式)，单个block可以存储的数据总个数最多为n×k，可进一步并联多个3dnandflash的存储区块block来实现更大规模的并行搜索。

因此，本公开实施例所提供的基于3dnandflash存储阵列的多值cam器件及其操作方法，能够明显降低静态功耗，有效减小电路面积，提升系统的数据容量，构建了一种全新的cam器件的实现方式，对未来低功耗、大容量cam系统的设计和应用具有重要意义。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。