一种基于忆阻器的多比特内容寻址存储器电路的实现方法

本发明涉及集成电路和计算机，尤其涉及一种基于忆阻器的多比特内容寻址存储器电路的实现方法。

背景技术：

1、随着物联网、大数据及其应用的快速发展，需要数据密集型计算的场景急剧增加。在传统冯·诺依曼架构中，由于存储和计算单元的分离，频繁的数据传输使得计算功耗和延时急剧增加，难以满足算力和能效的需求。利用忆阻器等新型器件将存储与计算功能相结合，进行存内计算，有望提高能效和计算速度。三元内容可寻址存储器(ternary contentaddressable memory,tcam)是存内计算的一种电路结构，可以对于输入数据在存储的数据中进行大规模并行搜索和比对，从而快速有效地完成所有存储数据的搜索。由于其直接在内存本身执行搜索操作，从而能够消除内存和计算单元之间的数据传输消耗的能耗和延时[1]，获得广泛关注。此外，通过外围电路的设计，利用搜索值与存储值之间不匹配个数的感知实现汉明距离的计算，可用于记忆增强神经网络等应用[2]。

2、目前商用的tcam一般采用的是基于静态随机存取存储器(static random-accessmemory,sram)的电路单元，但随之而来的问题是为获取快速访问/搜索服务导致的大面积和高功耗，虽然有许多基于互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，cmos)电路单元的改进，但大面积和高功耗一直成为tcam的两大问题。阻变式随机存取存储器(resistive random-access memory,rram)，即忆阻器，是一种新型的存储器件，以其极好的cmos工艺兼容性、小尺寸、低功耗、非易失性、大容量等特点，十分适合用于tcam单元电路中代替传统的sram tcam单元，从而能够大大提高运算速率、减小tcam面积和功耗[3]。基于忆阻器的tcam电路已被广泛研究，实现了2t2r[4]、3t1r[5]、4t2r[6](这里t代表晶体管，r代表忆阻器)等不同结构的单元电路，并成功实现了大规模流片验证。此外，利用tcam电路实现匹配度的计算也被证实是可行的[7]。

3、目前，已有基于铁电晶体管的tcam电路[7]，通过铁电晶体管高开关比等特性初步证实了tcam的多比特输出的可行性，但并未提出多比特tcam的完整电路架构。基于忆阻器的tcam电路可通过外围逻辑电路的复杂连接实现最多3个不匹配单元的汉明距离输出，实现方式复杂且无法输出更多比特的结果[8]。

4、现有实现方案存在以下的缺点和不足：(1)现有tcam电路无法输出多比特结果，只能够实现匹配/不匹配的二元输出，对于汉明距离计算等算法加速具有局限性，没有一个通用的可实现多比特输出的电路架构。(2)现有的tcam电路无法提供在不同工艺、温度、电压以及忆阻器的器件偏差情况下用于tcam电路准确读出的时钟脉冲。

5、因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于忆阻器的多比特三元内容可寻址存储器的实现方法，实现了tcam输出具体的非匹配位数，解决了汉明距离计算等此前在tcam电路中难以解决的问题。

6、【引用文献】

7、(1)r.karam,r.puri,s.ghosh and s.bhunia,“emerging trends in design andapplications of memory-based computing and content-addressable memories,”proc.ieee,vol.103,pp.1311–1330,aug.2015.

8、(2)r.mao,b.wen,a.kazemi et al.“experimentally validated memristivememory augmented neural network with efficient hashing and similaritysearch,”nature communication,no.13,pp.6284,2022.

9、(3)r.yang et al.,“ternary content-addressable memory with mos2transistors for massively parallel data search,”nature electronics,no.2,pp.108-114,2019.

10、(4)j.li,r.k.montoye,m.ishii and l.chang,“1mb 0.41μm2 2t-2r cellnonvolatile tcam with two-bit encoding and clocked self-referenced sensing,”in ieee journal of solid-state circuits,vol.49,no.4,pp.896-907,april 2014.

11、(5)m.-f.chang et al.,“a 3t1r nonvolatile tcam using mlc reram forfrequent-off instant-on filters in iot and big-data processing,”in ieeejournal of solid-state circuits,vol.52,no.6,pp.1664-1679,june 2017.

12、(6)m.-f.chang et al.,“a reram-based 4t2r nonvolatile tcam using rc-filtered stress-decoupled scheme for frequent-off instant-on search enginesused in iot and big-data processing,”in ieee journal of solid-state circuits,vol.51,no.11,pp.2786-2798,nov.2016.

13、(7)k.ni,x.yin,a.f.laguna et al.,“ferroelectric ternary content-addressable memory for one-shot learning,”nature electronics,no.2,pp.521–529,2019.

14、(8)f.-x.liu et al.,“pim-dh:reram-based processing-in-memoryarchitecture for deep hashing acceleration,”proceedings of the 59th acm/ieeedesign automation conference,pp.1087-1092,2022.

技术实现思路

1、有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是现有tcam电路没有通用的可实现多比特输出的电路架构；无法提供在不同工艺、温度、电压以及忆阻器的器件偏差情况下用于tcam电路准确读出的时钟脉冲。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于忆阻器的多比特内容寻址存储器电路的实现方法，包括以下步骤：

3、步骤1、建立多比特三元内容可寻址存储器电路架构，在传统的tcam电路上优化灵敏放大器，增加时间-数字转换电路和时钟自参考电路，实现多比特不匹配的tcam单元个数的输出；

4、步骤2、使用时钟自参考技术，将tcam阵列其中一行的灵敏放大器的输出作为后续时间-数字转换电路的时钟输入。

5、进一步地，所述多比特三元内容可寻址存储器包括tcam单元、灵敏放大器、时间-数字转换电路和自参考时钟生成电路。

6、进一步地，所述灵敏放大器与每条匹配线相连，用于匹配线电压与参考电压的比较，将匹配线电压降速率变为灵敏放大器输出电平在时域上翻转的时间。

7、进一步地，所述时间-数字转换电路包括触发器和延时单元，信号输入端与时钟输入端分别连接灵敏放大器与时钟自参考电路，灵敏放大器输出的反相作为时间-数字转换电路的输入信号与触发器输入端连接。

8、进一步地，所述时钟自参考电路为tcam阵列中独立的一行，灵敏放大器的输出与时间-数字转换电路时钟输入端相连；其中，tcam不匹配单元个数在搜索过程中保持固定，始终比最高能分辨的不匹配位数多一个。

9、进一步地，所述步骤1，通过灵敏放大器，将匹配线上电压的模拟信号变为时间信号，得到不同不匹配单元个数生成的不同时间上的上升沿，最后通过时间-数字转换电路将时间信号转变为一个多比特的数字信号输出。

10、进一步地，所述步骤2，利用灵敏放大器的输出信号产生的高低电平的跳变，作为阵列内时间-数字转换电路的时钟，在同一阵列内，能够与其他灵敏放大器输出一样随工艺角、工作电压和温度的改变而改变，消除工艺角、工作电压因素对tcam搜索匹配结果的影响。

11、进一步地，所述tcam单元与匹配线相连，作为匹配线上的泄漏电流路径。

12、进一步地，所述tcam单元的结构可根据所使用的忆阻器开关比进行选择，能够为匹配线提供合适的匹配/不匹配泄漏电流，提高电路的感知裕度。

13、进一步地，所述延时单元产生的时延可有外部偏置电压控制，能够根据实际的工艺角、工作电压和温度进行设置，进一步消除工艺角、工作电压因素对tcam搜索匹配结果的影响。

14、在本发明的较佳实施方式中，由于现有三元内容可寻址存储器(tcam)电路只能够实现匹配或不匹配两种输出结果，未能更加精确地判断不匹配tcam单元的个数。针对此问题，本发明提出了多比特三元内容可寻址存储器电路架构，在传统的tcam电路上优化了灵敏放大器，增加了时间-数字转换电路以及时钟自参考电路，实现了tcam不匹配单元个数的多比特输出。根据三元内容可寻址存储器的工作原理，在不同的不匹配tcam单元个数的作用下，匹配线(match line,ml)上的泄漏电流也将不同，此时匹配线上电压下降速率将随着不匹配单元个数的增加而增加。通过灵敏放大器，将匹配线上电压的模拟信号变为时间信号，得到不同不匹配单元个数生成的时域上不同时间的上升沿，最后通过时间-数字转换电路将时间信号转变为一个多比特的数字信号输出。本发明建立了多比特三元内容可寻址寄存器的电路架构，实现了tcam输出具体的不匹配位数，解决了汉明距离计算等此前在tcam电路中难以解决的问题。

15、针对本发明中时间比对的时间-数字转换电路，需要精确度高，同时始终兼顾不同工艺角等产生的时间区别，现有tcam电路的时钟电路设计难以提供有效的时钟脉冲。因此，本发明使用了时钟自参考技术，将tcam阵列其中一行的灵敏放大器的输出作为后续时间-数字转换电路的时钟输入。利用灵敏放大器的输出信号产生的高低电平的跳变，作为阵列内时间-数字转换电路的时钟使用，在同一阵列内，能够与其他灵敏放大器输出一样随工艺角、工作电压和温度的改变而改变，有效地消除了工艺角、工作电压等因素对tcam搜索匹配结果的影响。本发明利用时钟自参考技术，有效的解决了阵列内部时间-数字转换电路的时钟选择问题，同时消除了工艺角、工作电压等因素对tcam搜索匹配结果的影响。

16、本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点：

17、1.本发明建立了多比特三元内容可寻址寄存器的电路架构，实现了tcam输出具体的不匹配位数，解决了汉明距离计算等此前在tcam电路中难以解决的问题。

18、2.本发明利用时钟自参考技术，有效的解决了阵列内部时间-数字转换电路的时钟选择问题，同时消除了工艺角、工作电压等因素对tcam搜索匹配结果的影响。

19、以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。