TM－CAM：一種高效的容軟錯(cuò)誤相聯(lián)存儲(chǔ)器＊

孫 巖，黎鐵軍，王發(fā)源，張民選

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南 長沙 410073）

1 引言

相聯(lián)存儲(chǔ)器CAM（Content Addressable Memory）可對輸入的待比較數(shù)據(jù)與所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行全并行的比較。由于它速度很快，廣泛應(yīng)用于需要高速全相聯(lián)的局部數(shù)據(jù)搜索應(yīng)用中［1］。在微處理器中，地址轉(zhuǎn)換緩沖器和一些高速Cache就是由CAM和SRAM組成CAM－RAM結(jié)構(gòu)，通過對輸入的地址和CAM中存儲(chǔ)的內(nèi)容進(jìn)行比較來命中SRAM中相應(yīng)的項(xiàng)，從而得到需要訪問的數(shù)據(jù)［2］。CAM－RAM結(jié)構(gòu)具有高速度和低功耗的特性，因此是一種常用且重要的部件。

作為存儲(chǔ)部件的一種，CAM對軟錯(cuò)誤非常敏感。當(dāng)集成電路的特征尺寸減小到納米級(jí)，CAM因軟錯(cuò)誤引起的可靠性問題變得更加嚴(yán)峻［3］。與隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器不同，CAM無法使用錯(cuò)誤保護(hù)碼來糾正軟錯(cuò)誤。CAM一般處于存儲(chǔ)部件的關(guān)鍵路徑上，開銷較大的保護(hù)技術(shù)會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。因此，針對CAM研究開銷小、結(jié)構(gòu)簡單的軟錯(cuò)誤緩解技術(shù)具有重要的意義。

2 容軟錯(cuò)誤CAM結(jié)構(gòu)

CAM對輸入的搜索字進(jìn)行比較，一般沒有讀操作，因此不能直接在CAM上用編碼的方法檢測軟錯(cuò)誤。然而，在CAM－RAM結(jié)構(gòu)中，CAM中存儲(chǔ)地址，RAM中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這為CAM使用錯(cuò)誤編碼提供了可能。有研究［4］在CAM－RAM結(jié)構(gòu)的RAM陣列中增加一列存儲(chǔ)單元，用于儲(chǔ)存對應(yīng)CAM項(xiàng)的校驗(yàn)位，如圖1所示。

Figure 1 Structure of soft error tolerance CAM圖1 容軟錯(cuò)誤CAM結(jié)構(gòu)

當(dāng)輸入搜索字與CAM中的一項(xiàng)匹配時(shí)，該CAM項(xiàng)的校驗(yàn)位將會(huì)隨著相對應(yīng)的RAM項(xiàng)讀出，與此同時(shí)搜索字的校驗(yàn)位也被計(jì)算出來。接著兩個(gè)校驗(yàn)位進(jìn)行比較，如果結(jié)果相同，說明該匹配正確，為真匹配，反之為假匹配。該方法只能檢測出假匹配，卻不能檢測出假失配。文獻(xiàn)［4］通過使用一種稱為“近似匹配（Close Hit）”的檢測方法來檢測假失配。但是，這種方法較復(fù)雜，帶來的面積開銷和性能損失也相對較大。本文針對這一問題提出TM－CAM結(jié)構(gòu)，使用一種高效的三值匹配線機(jī)制檢測假失配。該方法相對簡單，面積開銷較小，性能損失幾乎可以忽略不計(jì)。

3 TM－CAM結(jié)構(gòu)

3.1 三值匹配線機(jī)制

CAM中的假失配是指當(dāng)輸入搜索字與待比較字原本應(yīng)當(dāng)匹配，但待比較字的一位發(fā)生翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致比較結(jié)果錯(cuò)誤地不匹配。因此，在只發(fā)生一位錯(cuò)誤的前提下，假失配應(yīng)當(dāng)表現(xiàn)為搜索字與CAM中存儲(chǔ)字只有一位不相同，即海明距離為1。因此，如果能檢測出搜索字與CAM存儲(chǔ)字中海明距離為1的項(xiàng)，即可能為假失配。

為此，本文提出三值匹配線機(jī)制，實(shí)現(xiàn)搜索字與存儲(chǔ)字海明距離為1的檢測。與傳統(tǒng)的匹配線不同，三值匹配線機(jī)制中除了邏輯“0”和“1”，還存在介于二者之間的第三個(gè)值。對于或非CAM結(jié)構(gòu)來說，當(dāng)搜索字與存儲(chǔ)字的所有位都匹配時(shí)，與匹配線連接的所有下拉NMOS管關(guān)閉，匹配線為邏輯“1”；當(dāng)有且僅有一位不匹配時(shí)，NMOS管有一個(gè)打開，由于此時(shí)管電阻較大，匹配線在一定時(shí)間內(nèi)放電到邏輯“0”與“1”中間的狀態(tài)；當(dāng)存在兩位或以上不匹配時(shí)，下拉NMOS管至少兩個(gè)導(dǎo)通，匹配線放電到邏輯“0”。因此，三值匹配線不僅能檢測出匹配或不匹配，而且還能辨別出一位或一位以上不匹配。

圖2是本文提出的三值匹配線示意圖。矩形框表示一個(gè)CAM單元，NMOS管為下拉管，匹配線連接到一個(gè)靈敏放大器上。為了實(shí)現(xiàn)三值匹配線機(jī)制，需要對匹配線靈敏放大器進(jìn)行一定的修改，使之成為匹配線三值靈敏放大器MLTSA（Match Line Ternary Sense Amplifier）。

Figure 2 Triple－value match line mechanism圖2 三值匹配線機(jī)制

圖3a表示普通匹配線的模型。當(dāng)所有位都匹配的情況下，匹配線模型為一個(gè)電容CML，表示匹配線的寄生線電容和與之相連的下拉晶體管漏極電容；當(dāng)一位不匹配的情況下，匹配線的模型為一個(gè)等效電容CML和一個(gè)電阻REQ并聯(lián)的形式，REQ為不匹配的CAM單元中下拉晶體管的等效電阻。當(dāng)所有位都匹配時(shí)，由于沒有接地的通路，匹配線維持邏輯“1”；當(dāng)一位不匹配時(shí)，由于晶體管等效電阻REQ不大，電容CML中的電荷很快泄放掉，匹配線的值成為邏輯“0”。

圖3b表示本文提出的三值匹配線模型。當(dāng)所有位匹配時(shí)與普通匹配線類似，為一個(gè)等效電容CML，匹配線電壓在電源電壓附近；當(dāng)一位不匹配時(shí)，匹配線的模型為等效電容CML和等效電阻REQ1并聯(lián)的形式，但REQ1較大，一定時(shí)間內(nèi)（約為半時(shí)鐘周期）CML中的電荷無法完全泄放，匹配線電壓介于地和電源電壓之間；當(dāng)兩位不匹配時(shí)，匹配線模型為等效電容CML與等效電阻REQ2并聯(lián)的形式，由于此時(shí)REQ2減小，電荷在一定時(shí)間內(nèi)能夠泄放掉大部分，匹配線的電壓在地電壓附近；當(dāng)兩位以上不匹配時(shí)，等效電阻進(jìn)一步減小，匹配線的電壓達(dá)到更低的水平。

Figure 3 Models of match line圖3 匹配線模型

圖4表示三值匹配線模擬波形。設(shè)定兩個(gè)閾值電壓：高閾值電壓VTH和低閾值電壓VTL，如果匹配線電壓大于VTH，認(rèn)為所有位匹配；電壓介于VTH和VTL之間的，認(rèn)為有且僅有一位不匹配；如果電壓低于VTL，則認(rèn)為至少有兩位不匹配。這樣，匹配線電壓被劃分為三個(gè)區(qū)域。

Figure 4 Simulation waveform of triple－value match line圖4 三值匹配線模擬波形

3.2 三值靈敏放大器

三值靈敏放大器MLTSA對三值匹配線的電壓進(jìn)行放大，供后續(xù)邏輯使用。MLTSA的輸出至少為兩位，表1給出一種可能的編碼方式，編碼由兩位組成，分別表示為MLA和MLB。

Table 1 Truth table of triple－value match line表1 三值匹配線真值表

圖5是MLTSA的一種電路實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。該電路使用了兩個(gè)不同閾值（VM）的反相器。晶體管MT1和MT2組成高閾值反相器，其閾值為圖4中的VTH；MT4和MT5組成低閾值反相器，其閾值為VTL；MT3為一個(gè)傳輸管。由ML信號(hào)產(chǎn)生TA和TB后，通過D觸發(fā)器得到匹配線MLA和MLB，其值滿足表1的定義。

Figure 5 Structure of MLTSA圖5 匹配線三值靈敏放大器（MLTSA）結(jié)構(gòu)

為了設(shè)計(jì)精確的MLTSA，VTH和VTL必須進(jìn)行仔細(xì)調(diào)整，反相器的尺寸尤為關(guān)鍵。反相器的開關(guān)閾值VM可通過調(diào)整NMOS和PMOS尺寸的比例實(shí)現(xiàn)精確控制［5］。VM定義為Vin＝Vout的點(diǎn)，其值可以由電壓傳輸特性與直線Vin＝Vout的交點(diǎn)求得。在這一區(qū)域中，由于VDS＝VGS，因此兩個(gè)晶體管總是飽和的，使二者的電流相等即可得到VM的解析式。一般來說VDD足夠高，能夠保證晶體管處于飽和狀態(tài)，即VDSAT＜VM－VT。與此同時(shí)，忽略溝長調(diào)制效應(yīng)，于是有：

其中，kn和kp分別為NMOS和PMOS管的器件增益因子，當(dāng)工藝確定時(shí)為常數(shù)，VDSATn和VDSATp分別為NMOS和PMOS管的飽和電壓，VM為反相器的開關(guān)閾值電壓，VTn和VTp分別為NMOS和PMOS管的閾值電壓，VDD為電源電壓。

求解VM得到：

其中，r表示為：

其中，υsatn和υsatp分別為NMOS和PMOS管的載流子飽和漂移速度，Wn和Wp分別為NMOS和PMOS管的溝道寬度。

假設(shè)兩晶體管柵氧厚度相同。當(dāng)VDD與VTn和VTp及VDSATn和VDSATp相比較大時(shí)，式（2）簡化為：

式（4）表明，閾值VM取決于比值r，它是PMOS與NMOS管相對驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的比。若需要VM較大，可提高r的值，如果降低r的大小，將會(huì)提高NMOS晶體管的強(qiáng)度，使得VM靠近GND。

由以上的推導(dǎo)，可以得出使開關(guān)閾值等于VM的PMOS和NMOS管溝道寬度和長度之比：

其中，k′n和k′p分別為NMOS和PMOS管的工藝跨導(dǎo)參數(shù)。

4 TM－CAM訪問算法

對于一個(gè)輸入搜索字，TM－CAM可能輸出三種結(jié)果：

（1）不匹配位數(shù)為0。這時(shí)讀出對應(yīng)RAM中的一組數(shù)據(jù)及校驗(yàn)位，同時(shí)計(jì)算搜索字校驗(yàn)位。之后比較讀出和計(jì)算得到的校驗(yàn)位，如果相同則為真匹配，反之為假匹配。

（2）不匹配位數(shù)為1。讀出對應(yīng)RAM中的一組數(shù)據(jù)及校驗(yàn)位，同時(shí)計(jì)算搜索字校驗(yàn)位。之后比較讀出和計(jì)算得到的校驗(yàn)位，如果相同則為假失配，反之為真失配。

（3）不匹配位數(shù)大于或等于2。此時(shí)一定為真失配。圖6表示了本文提出的TM－CAM訪問算法。

Figure 6 Access algorithm of TM－CAM圖6 TM－CAM訪問算法

TM－CAM在RAM中增加了一個(gè)很小的CAM校驗(yàn)位列，帶來的面積開銷也很小。三值匹配線機(jī)制和三值靈敏放大器對海明距離為1的情況進(jìn)行檢測，為判斷假失配創(chuàng)造了條件，但沒有增加額外的延時(shí)。搜索字校驗(yàn)位計(jì)算與RAM讀操作并行進(jìn)行，延時(shí)被隱藏。TM－CAM訪問算法只增加了一級(jí)校驗(yàn)位比較邏輯，但由于位數(shù)很少，邏輯簡單，只有極小的延時(shí)增加。分析來看，本文提出的TM－CAM結(jié)構(gòu)的面積開銷很小，對性能的影響幾乎可以忽略，因此具有很高的效率，能夠有效提高CAM電路的可靠性。

5 實(shí)驗(yàn)與分析

為了進(jìn)行評(píng)估，本文采用65nm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了TM－CAM的三值匹配線和三值靈敏放大器，并采用SPICE模擬進(jìn)行驗(yàn)證。

在TM－CAM結(jié)構(gòu)中，三值靈敏放大器決定了三值匹配線中三種值的電壓范圍，是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在圖5由MT1和MT2組成的反相器中，需要將轉(zhuǎn)換閾值提高到VDD／2以上，應(yīng)盡量增大PMOS管、減小NMOS管的尺寸。而由MT4和MT5組成的反相器中正好相反。圖7a表示MT1和MT2組成的反相器的電壓傳輸特性，由于PMOS管較大而NMOS管較小，其電壓傳輸特性曲線右移。對于MT4和MT5組成的反相器與之相反，如圖7b所示。兩個(gè)反相器的轉(zhuǎn)換閾值VM分別約在0.65V和0.40V附近，這也決定了三值匹配線機(jī)制中匹配線電壓的三個(gè)范圍。

圖8表示三值靈敏放大器的傳播延時(shí)。在后一級(jí)連接D觸發(fā)器的情況下，兩個(gè)傳播延時(shí)分別為33.6ps和34.1ps。這與普通的匹配線靈敏放大器延時(shí)相近，因此三值匹配線機(jī)制不會(huì)對CAM的整體性能造成任何影響。

圖9表示TM－CAM軟錯(cuò)誤注入模擬結(jié)果。當(dāng)0位不匹配時(shí)，匹配線ML大于0.65V，經(jīng)過三值靈敏放大器后，MLA和MLB都為邏輯“0”；當(dāng)一位不匹配時(shí)，ML的電壓在時(shí)鐘下降沿到來之前降低到0.40V～0.65V，MLA和MLB的值分別為邏輯“1”和“0”；當(dāng)兩位及以上不匹配時(shí)，ML的電壓降低到0.40V以下，MLA和MLB的值都為邏輯“1”。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TM－CAM結(jié)構(gòu)能夠準(zhǔn)確檢測出三種匹配情況。

在TM－CAM訪問算法中，如果存在大量海明距離為1的真失配，有可能帶來較大的性能損失。這是由于在海明距離為1的真失配時(shí)，普通的CAM不會(huì)進(jìn)行任何操作，而在TM－CAM中要將對應(yīng)的RAM項(xiàng)讀出并比較校驗(yàn)位。此時(shí)RAM的讀操作、校驗(yàn)位計(jì)算和比較都是無效操作，將顯著降低系統(tǒng)的性能。

Figure 7 Inverter voltage－transfer characteristic of MLTSA圖7 三值靈敏放大器中反相器電壓傳輸特性

Figure 8 Simulation waveform of MLTSA圖8 匹配線三值靈敏放大器模擬波形

本文使用Sim－Alpha模擬器對由CAM－RAM構(gòu)建的DL1Cache、IL1Cache和DTLB的失效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。模擬程序選用SPEC2000中的九組整數(shù)測試程序。結(jié)果表明，DL1Cache、IL1Cache和DTLB的平均失效率分別為0.88%、0.28%和0.01%。由于海明距離為1的真失配屬于訪問失效中很少的一種情況，因此發(fā)生的概率會(huì)很低，這種情況引起的性能損失可以忽略。

6 結(jié)束語

本文提出了一種容軟錯(cuò)誤相聯(lián)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)TM－CAM，通過三值匹配線機(jī)制和三值靈敏放大器，能夠檢測CAM中發(fā)生的所有假匹配和假失配錯(cuò)誤，其結(jié)構(gòu)簡單有效。在檢測出錯(cuò)誤后，可以采用相應(yīng)的機(jī)制重新執(zhí)行指令，或重取數(shù)據(jù)來改正錯(cuò)誤。對于可靠性要求較高的系統(tǒng)，校驗(yàn)位也可以使用ECC等編碼機(jī)制，如果發(fā)生錯(cuò)誤可以通過編碼來自行糾正。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出的技術(shù)能夠以較小的開銷有效地緩解CAM中的軟錯(cuò)誤問題。

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附中文參考文獻(xiàn)：

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