1.本发明涉及半导体集成电路线路设计领域，尤其涉及一种三态内容寻址存储单元以及三态内容寻址存储器。
背景技术：2.tcam(ternary content addressable memory，三态内容寻址存储器)是一种特殊的计算机存储器。tcam可以进行高速并行数据搜索，对搜索数据进行分类和转发，在网络路由器、模式匹配、缓存控制器、入侵检测和图案识别等5g网络和人工智能(ai)领域应用广泛。5g网络流量大，对数据传输和存储容量需求加大。同时，因为tcam的高效并行搜索能力，随着人工智能领域的计算需求增加，市场对tcam的性能需求也不断提高，特别是在响应速度，存储容量，和搜索功耗等方面。如图1所示，传统的tcam利用静态随机存取存储器(static random-access memory，sram)实现，通常需要16颗cmos场效应管，8个输入输出端连接线，即，2个位元线bl，2个互补位元线1个选择线sl，1个互补选择线1个字元线wl，以及1个匹配线ml。所需器件多，工作和待机功耗高，布线复杂，存储密度低，成本高。
技术实现要素：3.本发明旨在提供一种tcam单元(三态内容寻址存储单元)以及tcam。应用于5g网络和人工智能领域中，具有高存储密度和低功耗等设计特性。
4.本发明提供的tcam单元包括：cmos场效应管；互补cmos场效应管；二极管；互补二极管；存储单元，其第一端与所述cmos场效应管的漏极和所述二极管的负极电连接，且可处于高电阻态和低电阻态；互补存储单元，其第一端与所述互补cmos场效应管的漏极和所述互补二极管的负极电连接，且可处于高电阻态和低电阻态；位元/选择线，其与所述存储单元的第二端电连接；互补位元/选择线，其与所述互补存储单元的第二端电连接；匹配线，其与所述二极管和所述互补二极管的正极电连接；字元线，其与所述cmos场效应管和所述互补cmos场效应管的栅极电连接；以及接地线，其与所述cmos场效应管和所述互补cmos场效应管的源极电连接。
5.本发明还提供一种三态内容寻址存储器，包括：多个三态内容寻址存储单元；匹配线路，其分别与所述多个三态内容寻址存储单元的匹配线电连接，用于向所述匹配线发送电压信号；位元线解码器，其分别与所述多个三态内容寻址存储单元的位元/选择线和互补位元/选择线电连接，用于向所述位元/选择线和互补位元/选择线发送电压信号；以及字元线解码器，其分别与所述多个三态内容寻址存储单元的字元线电连接，用于向所述字元线发送电压信号。
6.本发明提供的tcam单元包含2个cmos场效应管，2个二极管和2个存储单元，合计4个连接线。所需的cmos场效应管少，提高了存储密度，降低了工作和待机功耗。特别因为其非易失的存储特性，在断电后仍可继续保持数据，同时也降低了tcam的待机功耗。另外连接线数量少，这使得存储阵列密度更高，存储器芯片结构更小。此外利用pn结二极管作为选择
线器件还可以减少漏电电流，提高搜索速度。
附图说明
7.图1是一种现有技术的基于sram的tcam单元线路设计示意图；
8.图2是本发明的基于相变存储器的tcam单元线路设计示意图；
9.图3是本发明的基于相变存储器的n乘m阵列tcam线路设计示意图。
10.符号说明
11.100 tcam单元
12.101 位元/选择线
13.102 互补位元/选择线
14.103 匹配线
15.104 字元线
16.105 cmos场效应管
17.106 互补cmos场效应管
18.107 二极管
19.108 互补二极管
20.109 存储单元
21.110 互补存储单元
22.111 接地线
23.400 n乘m阵列tcam
24.401 匹配线路
25.402 位元线解码器
26.403 字元线解码器
具体实施方式
27.下面参照图2至图3描述本发明的一个实施实例。图2是本发明的tcam单元的线路设计示意图。如图2所示，tcam单元100包含cmos场效应管105，互补cmos场效应管106，二极管107，互补二极管108，存储单元109，其第一端与cmos场效应管105的漏极和二极管107的负极电连接，且可处于高电阻态和低电阻态；互补存储单元110，其第一端与互补cmos场效应管106的漏极和互补二极管108的负极电连接，且可处于高电阻态和低电阻态；位元/选择线101，其与存储单元109的第二端电连接；互补位元/选择线102，其与互补存储单元110的第二端电连接；匹配线103，其与二极管107和互补二极管108的正极电连接；字元线104，其与cmos场效应管105和互补cmos场效应管106的栅极电连接；以及接地线111，其与cmos场效应管105和互补cmos场效应管106的源极电连接。
28.二极管107和互补二极管108可以是pn结二极管。存储单元109和互补存储单元110可以是，但是不限于，相变存储单元，磁矩存储单元(magnetoresistive random access memory，mram)，或者是阻变式存储单元(resistive random access memory，rram)。
29.在本发明的一个实施实例中，tcam单元100是利用相变存储器实现的tcam单元。该tcam单元100可存储一个字节的单个位元：“0”，“1”，或“don’t care”，也就是“低”，“高”，或“无关”三态。
30.存储单元109和互补存储单元110是两个互补的相变存储器。该相变储存器可以利用通常的半导体相变材料锗锑碲(germanium-antimony-tellurium，gst)。当相变材料被置于置位状态(set)，相变材料通常处于结晶态，具有低电阻值。当相变材料被置于复位状态(reset)，相变材料通常处于非结晶态，具有高电阻值。高电阻和低电阻的电阻值通常至少应相差十倍。
31.所以tcam单元100可以将存储单元109设置于低电阻态，同时将互补存储单元110设置于高电阻态，以存储一个字节的低位元“0”。反之，tcam单元100可以将存储单元109设置于高电阻态，同时将互补存储单元110设置于低电阻态，以存储一个字节的高位元“1”。另外，tcam单元100还可以将储存单元109和互补存储单元110同时设置于高电阻态，以存储一个字节的“don’t care”，即“无关”态。
32.tcam单元100的运行可分为两部分，第一是编程部分，第二是搜索部分。表1是本发明的基于相变存储器的tcam单元的实施实例的赋值表。
[0033][0034][0035]
表1
[0036]
下面参照表1和图2描述tcam单元100的编程状态。初始时字元线104的电压为零，cmos场效应管105和互补cmos场效应管106处于关闭状态。编程开始，当存储高位元“1”时，先将字元线104置于高电压“1”。此处的高电压“1”可以是任何加于cmos栅级的高电压。此时cmos场效应管105和互补cmos场效应管106导通，cmos场效应管105和互补cmos场效应管106的漏极电流分别流过存储单元109和互补存储单元110。
[0037]
然后位元/选择线101向存储单元109发出复位高电压v
reset
快速下降的复位脉冲reset。电流流过存储单元109时，电流产生的焦耳热使存储单元109中的相变材料快速达到熔点温度，从而使得相变材料融化。之后，流过存储单元109的电流迅速减小，相变材料迅速降温退火，形成非结晶态。从而使存储单元109处于高电阻态。
[0038]
同时，互补位元/选择线102向互补存储单元110发出置位低电压v
set
慢速下降的置位脉冲set。此处的置位低电压v
set
低于复位高电压v
reset
。电流流过互补存储单元110时，电流产生的焦耳热使互补存储单元110中的相变材料快速达到结晶温度。之后，流过互补存储
单元110的电流缓慢减小，相变材料缓慢降温退火，使得相变材料结晶或生长，形成结晶态。从而使互补存储单元110处于低电阻态。这样tcam单元100就完成了存储一个字节的高位元“1”。
[0039]
相反的，当存储低位元“0”时，先将字元线104置于高电压“1”，此时cmos场效应管105和互补cmos场效应管106导通，cmos场效应管105和互补cmos场效应管106的漏极电流分别流过存储单元109和互补存储单元110。
[0040]
然后位元/选择线101向存储单元109发出置位低电压v
set
慢速下降的置位脉冲set。如上述原因，存储单元109处于低电阻态。
[0041]
同时，互补位元/选择线102向互补存储单元110发出复位高电压v
reset
快速下降的复位脉冲reset。如上述原因，互补存储单元110处于高电阻态。这样tcam单元100就完成了存储一个字节的低位元“0”。
[0042]
此外，当存储数位“无关”时，位元/选择线101向存储单元109发出复位高电压v
reset
快速下降的复位脉冲reset，互补位元/选择线102也向互补存储单元110发出复位高电压v
reset
快速下降的复位脉冲reset。如上述原因，存储单元109和互补存储单元110都处于高电阻态。这样tcam单元100就完成了存储数位“无关”。
[0043]
另外，在tcam单元100的编程状态下，将匹配线103置于置位低电压v
set
，这样可以减少通过二极管107和通过互补二极管108的漏电电流。
[0044]
本发明的tcam单元100利用二极管而不是cmos场效应管作为选择线器件，还可利用二极管打开和关闭电流的高比值，以及二极管亚阈值电流针对电压的理想斜率，进一步减少漏电电流，提高搜索速度。
[0045]
下面参照表1和图2描述tcam单元100的搜索状态。如表1所示，在搜索状态下，当搜索高位元“1”时，将字元线104置于零伏低电压，此时cmos场效应管105和互补cmos场效应管106关闭。然后将匹配线103置于匹配线高电压v
ml
。将位元/选择线101置于零伏低电压，将互补位元/选择线102置于低于匹配线高电压v
ml
的选择线高电压v
sl
。
[0046]
如果tcam单元100存储的也是高位元“1”，则存储单元109处于高电阻态，互补存储单元110处于低电阻态。因此，二极管107和互补二极管108导通电流都较低。这样匹配线103维持在高电压，表示搜索匹配。
[0047]
而如果tcam单元100存储的是低位元“0”，则存储单元109处于低电阻态，互补存储单元110处于高电阻态。因此，二极管107导通，互补二极管108导通电流较低。这样匹配线103通过二极管107放电到低电压，表示搜索不匹配。
[0048]
此外，如果tcam单元100存储的是数位“无关”，则存储单元109处于高电阻态，互补存储单元110也处于高电阻态。因此，二极管107和互补二极管108导通电流都较低。这样匹配线103维持在高电压，表示搜索匹配。
[0049]
相反的，当搜索低位元“0”时，将字元线104置于零伏低电压，此时cmos场效应管105和互补cmos场效应管106关闭。然后将匹配线103置于匹配线高电压v
ml
。将位元/选择线101置于选择线高电压v
sl
。将互补位元/选择线102置于零伏低电压。
[0050]
如果tcam单元100存储的是高位元“1”，相变存储单元109处于高电阻态，互补相变存储单元110处于低电阻态。因此二极管107导通电流较低，而互补二极管108导通。这样匹配线103通过互补二极管108放电到低电压，表示搜索不匹配。
[0051]
而如果tcam单元100存储的也是低位元“0”，则存储单元109处于低电阻态，互补存储单元110处于高电阻态。因此，二极管107和互补二极管108导通电流都较低。这样匹配线103维持在高电压，表示搜索匹配。
[0052]
此外，如果tcam单元100存储的是数位“无关”，则存储单元109处于高电阻态，互补存储单元110也处于高电阻态。因此，二极管107和互补二极管108导通电流都较低。这样匹配线103维持在高电压，表示搜索匹配。
[0053]
另外，当搜索数位“无关”时，将字元线104置于零伏低电压，此时cmos场效应管105和互补cmos场效应管106关闭。然后将匹配线103置于匹配线高电压v
ml
。将位元/选择线101和互补位元/选择线102都置于选择线高电压v
sl
。
[0054]
这时无论存储单元109和互补存储单元110处于高电阻态还是低电阻态，二极管107和互补二极管108的导通电流都较低。这样匹配线103维持在高电压，表示搜索匹配。
[0055]
图3是本发明的基于相变存储器的n乘m阵列tcam线路设计示意图。该tcam 400中包括n乘m个tcam单元100；匹配线路(match circuit)401，其分别与多个tcam单元100的匹配线103电连接，用于向匹配线103发送电压信号；位元线解码器(bitline decoder)402，其分别与多个tcam单元100的位元/选择线101和互补位元/选择线102电连接，用于向位元/选择线101和互补位元/选择线102发送电压信号；以及字元线解码器(wordline decoder)403，其分别与多个tcam单元100的字元线104电连接，用于向字元线104发送电压信号。
[0056]
本发明提供的tcam单元100包含2个cmos场效应管，2个二极管和2个存储单元，所需的cmos场效应管少，提高了存储密度，降低了工作和待机功耗。特别因为其非易失的存储特性，在断电后仍可继续保持数据，同时也降低了tcam的待机功耗。从而降低了成本。
[0057]
另外，通过本发明的线路设计，每个tcam单元100只需引出4个电连接线，即，位元/选择线101，互补位元/选择线102，匹配线103，以及字元线104。相比于现有技术的8个电连接线，减少了电连接线的数量。尤其是对于包括多个tcam单元100的大容量tcam阵列，这一线路设计可以大大减少总的引线数量。这样在将tcam阵列与上层导线连接时，可以大大简化布线难度，有效提高tcam的存储密度，使得存储器芯片结构更小。
[0058]
虽然本发明已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域专业技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可能作各种需要的更改与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。
技术特征：1.一种三态内容寻址存储单元(100)，其特征在于，包括：cmos场效应管(105)；互补cmos场效应管(106)；二极管(107)；互补二极管(108)；存储单元(109)，其第一端与所述cmos场效应管(105)的漏极和所述二极管(107)的负极电连接，且可处于高电阻态和低电阻态；互补存储单元(110)，其第一端与所述互补cmos场效应管(106)的漏极和所述互补二极管(108)的负极电连接，且可处于高电阻态和低电阻态；位元/选择线(101)，其与所述存储单元(109)的第二端电连接；互补位元/选择线(102)，其与所述互补存储单元(110)的第二端电连接；匹配线(103)，其与所述二极管(107)和所述互补二极管(108)的正极电连接；字元线(104)，其与所述cmos场效应管(105)和所述互补cmos场效应管(106)的栅极电连接；以及接地线(111)，其与所述cmos场效应管(105)和所述互补cmos场效应管(106)的源极电连接。2.如权利要求1所述的三态内容寻址存储单元(100)，其特征在于，所述存储单元(109)和所述互补存储单元(110)是相变存储单元。3.如权利要求2所述的三态内容寻址存储单元(100)，其特征在于，在编程状态下，将所述匹配线(103)置于置位低电压，当存储高位元时，将所述字元线(104)置于高电压，所述位元/选择线(101)向所述存储单元(109)发出复位高电压快速下降的复位脉冲，使所述存储单元(109)处于高电阻态，所述互补位元/选择线(102)向所述互补存储单元(110)发出置位低电压慢速下降的置位脉冲，使所述互补存储单元(110)处于低电阻态。4.如权利要求2所述的三态内容寻址存储单元(100)，其特征在于，在编程状态下，将所述匹配线(103)置于置位低电压，当存储低位元时，将所述字元线(104)置于高电压，向所述位元/选择线(101)发出置位低电压慢速下降的置位脉冲，使所述存储单元(109)处于低电阻态，向所述互补位元/选择线(102)发出复位高电压快速下降的复位脉冲，使所述互补存储单元(110)处于高电阻态。5.如权利要求2所述的三态内容寻址存储单元(100)，其特征在于，在编程状态下，将所述匹配线(103)置于置位低电压，当存储数位“无关”时，将所述字元线(104)置于高电压，向所述位元/选择线(101)和所述互补位元/选择线(102)发出复位高电压快速下降的复位脉冲，使所述存储单元(109)和所述互补存储单元(110)处于高电阻态。6.如权利要求2所述的三态内容寻址存储单元(100)，其特征在于，在搜索状态下，当搜索高位元时，将所述字元线(104)置于零伏低电压，将所述匹配线(103)置于匹配线高电压，将所述位元/选择线(101)置于零伏低电压，将所述互补位元/选择线(102)置于低于所述匹配线高电压的选择线高电压。7.如权利要求2所述的三态内容寻址存储单元(100)，其特征在于，在搜索状态下，当搜索低位元时，将所述字元线(104)置于零伏低电压，将所述匹配线(103)置于匹配线高电压，将所述位元/选择线(101)置于所述选择线高电压，将所述互补位元/选择线(102)置于零伏
低电压。8.如权利要求2所述的三态内容寻址存储单元(100)，其特征在于，在搜索状态下，当搜索数位“无关”时，将所述字元线(104)置于零伏低电压，将所述匹配线(103)置于匹配线高电压，将所述位元/选择线(101)和所述互补位元/选择线(102)置于所述选择线高电压。9.一种三态内容寻址存储器，其特征在于，包括：多个如权利要求1所述的三态内容寻址存储单元(100)；匹配线路(401)，其分别与所述多个三态内容寻址存储单元(100)的匹配线(103)电连接，用于向所述匹配线(103)发送电压信号；位元线解码器(402)，其分别与所述多个三态内容寻址存储单元(100)的位元/选择线(101)和互补位元/选择线(102)电连接，用于向所述位元/选择线(101)和互补位元/选择线(102)发送电压信号；以及字元线解码器(403)，其分别与所述多个三态内容寻址存储单元(100)的字元线(104)电连接，用于向所述字元线(104)发送电压信号。
技术总结本发明提供一种TCAM单元，属于半导体集成电路设计领域。本发明的TCAM单元包括：CMOS场效应管；互补CMOS场效应管；二极管；互补二极管；存储单元，其第一端与CMOS场效应管的漏极和二极管的负极电连接，且可处于高电阻态和低电阻态；互补存储单元，其第一端与互补CMOS场效应管的漏极和互补二极管的负极电连接；位元/选择线，其与存储单元的第二端电连接；互补位元/选择线，其与互补存储单元的第二端电连接；匹配线，其与二极管和互补二极管的正极电连接；字元线，其与CMOS场效应管和互补CMOS场效应管的栅极电连接；以及接地线，其与CMOS场效应管和互补CMOS场效应管的源极电连接。本发明的TCAM单元漏电电流低，工作和待机功耗低，连接线少，存储密度高。存储密度高。存储密度高。
技术研发人员：甘东
受保护的技术使用者：北京时代全芯存储技术股份有限公司
技术研发日：2022.07.26
技术公布日：2022/11/1
