高性能低功耗TCAM研究与实现

发布时间：2017-03-22 23:14

  本文关键词：高性能低功耗TCAM研究与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：三态按内容寻址存储器(TCAM)是一种高速硬件搜索引擎,不仅具有普通存储器(如SRAM, DRAM等)的存储和读取数据功能,还能对数据进行匹配查找。TCAM主要应用于核心路由器的查找表,数据压缩,模式识别和图像处理等。目前较为成功的商业应用为核心路由器的数据包分类转发。TCAM的高速搜索源于内部搜索操作的并行性,因此TCAM的功耗问题较为严重。随着IPv6的普及与移动互联网的发展,大容量,长字的TCAM芯片需求对搜索速度和功耗提出更高的挑战。许多研究者致力于研究在不牺牲搜索速度的前提下降低TCAM芯片功耗。在此背景下,本论文对高性能低功耗的TCAM芯片进行研究。论文首先提出了一种新型低匹配线电容TCAM单元,该单元匹配线电容较小,有利于降低匹配线功耗。与同类型单元相比,该单元还能够有效避免短路功耗以及潜在功能错误等问题。其次论文提出了一种OR型级联匹配线策略,该策略只有在前一级匹配的情况下才启动下一级搜索操作。由于该匹配线策略预充电节点电容较小,并且第一级全匹配概率低,因此该方案有效地降低了匹配线功耗。而当全字匹配时,论文所提方案的字电路等效为串联的反相器,因此搜索速度较高。接着论文采用Verilog语言设计了具有8级流水的RTL级TCAM控制器,该控制器有效地提高了大容量TCAM芯片搜索速度与吞吐量。最后论文对TCAM控制器进行逻辑综合与后端设计。基于所提匹配线方案,论文采用0.13-um1.2-V SMIC工艺对64字×72比特的TCAM核进行实现,其中级联数目为3级。前仿结果表明,电路搜索速度为0.48 ns,功耗为0.41fJ/bit/search。论文将电路进行版图实现,版图面积仅为97614.14 um2。版图后仿真结果表明,电路搜索速度为1.13 ns,功耗为0.58fJ/bit/search。在相同工艺下,论文对控制器进行综合。综合结果表明,TCAM控制器最高工作速度达400Mhz。
【关键词】：按内容寻址存储器 匹配线 搜索速度
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP333
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-20
• 1.1 课题背景及研究意义8
• 1.2 CAM简介8-13
• 1.2.1 CAM基础8-12
• 1.2.2 匹配线功耗模型12-13
• 1.3 国内外研究现状13-17
• 1.4 论文主要研究内容17-18
• 1.5 论文结构安排18-20
• 2 高速低功耗OR型级联匹配线方案20-31
• 2.1 低匹配线电容的NOR型TCAM单元20-23
• 2.2 OR型级联匹配线23-28
• 2.2.1 OR型级联匹配线结构23-25
• 2.2.2 晶体管尺寸选择原则25-28
• 2.3 性能对比28-29
• 2.3.1 不同级数之间性能对比28
• 2.3.2 与其他匹配线策略之间性能对比28-29
• 2.4 版图后仿真29-31
• 3 TCAM控制器设计与验证31-45
• 3.1 TCAM控制器功能分析31-36
• 3.1.1 TCAM存储体及功能31-32
• 3.1.2 TCAM控制器接口信号32
• 3.1.3 TCAM芯片指令及时序32-35
• 3.1.4 TCAM主要寄存器及功能35-36
• 3.2 TCAM控制器的设计36-41
• 3.2.1 TCAM控制器流水线结构36-38
• 3.2.2 TCAM控制器的功能框图38-41
• 3.3 TCAM控制器的验证41-45
• 3.3.1 定向测试41-43
• 3.3.2 随机测试43-44
• 3.3.3 验证结果分析44-45
• 4 TCAM芯片综合45-59
• 4.1 逻辑综合46-49
• 4.1.1 综合脚本分析46-49
• 4.1.2 综合结果49
• 4.2 后端设计49-59
• 4.2.1 数据导入50-51
• 4.2.2 布局规划51-53
• 4.2.3 单元放置53-54
• 4.2.4 时钟树综合54
• 4.2.5 全局与细节布线54-56
• 4.2.7 时序验证56
• 4.2.8 功能等价性检查56-58
• 4.2.9 物理验证58-59
• 结论59-60
• 参考文献60-64
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况64-65
• 致谢65-66

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本文编号：262437