對稱陣列結(jié)構(gòu)容錯cam設(shè)計

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文檔簡介

1、　　國內(nèi)圖書分類號：TN432　　國際圖書分類號：621.3.049.774　　工學(xué)碩士學(xué)位論文　　對稱陣列結(jié)構(gòu)容錯 CAM 設(shè)計　　碩士研究生：梁寬濤<b&

2、gt;　　導(dǎo)　　申請　　師：肖立伊教授　　學(xué) 位：工學(xué)碩士　　學(xué) 科、專業(yè)：微電子學(xué)與固體電子學(xué)&l

3、t;p>　　所在單位：微電子科學(xué)與技術(shù)系　　答辯日期： 2009 年 6 月　　授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)　　Classified Index：TN432　　U.D.C.: 621.3.049.774　　D

4、issertation for the Master’s Degree in Engineering　　DESIGN OF SYMMETRICAL ARRAY　　STRUCTURE SOFT ERROR　　HARDENED CAM　　Candidate：

5、;　　Supervisor：　　Academic Degree Applied for：　　Specialty：　　Affiliation:　　Date of Defence：　　Degree-Conferr

6、ing-Institution：　　Liang Kuantao　　Prof. Xiao Liyi　　Master of Engineering　　Microelectronics and Solid-State　　Electron

7、ics　　Dept. of Microelectronics Science　　and Technology　　June, 2009　　Harbin Institute of Technology　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

8、　　摘　　要　　內(nèi)容可尋址存儲器（ CAM）又叫相關(guān)性存儲器，它可以在一個時鐘周　　期內(nèi)給出搜索結(jié)果，因而具有很高的搜索效率，廣泛應(yīng)用于搜索密集型領(lǐng)　　域

9、，例如 Cache 中的 Tag 部分和路由器里的 IP 地址前綴查找表等。CAM 容　　易受空間輻射的影響而發(fā)生軟錯誤，因此研究 CAM 的抗軟錯誤加固具有重　　要的意義。　　CAM 具有按內(nèi)容尋址的特性，因此 ECC 編碼檢錯糾錯技術(shù)難以直接應(yīng)&l

10、t;p>　　用于 CAM 的加固。本文基于一種對稱陣列結(jié)構(gòu)的 CAM，結(jié)合存儲數(shù)據(jù)的　　讀出機制，成功地將 ECC 用于 CAM 的抗軟錯誤加固中。加固后的 CAM 可　　以在搜索過程中自動進(jìn)行一位軟錯誤的容錯。　　本文首先設(shè)計了一個規(guī)模為 64×128bits 的對稱陣列結(jié)構(gòu)的 CAM，主要&l

11、t;/p>　　包括存儲單元陣列、讀寫控制電路、I/O 放大電路、地址譯碼器、優(yōu)先選擇　　器等幾部分。然后利用數(shù)字集成電路的 ASIC 設(shè)計流程，設(shè)計了 ECC 編碼/　　解碼電路和比較器，并利用一種存儲數(shù)據(jù)的選擇讀出機制，將 ECC 電路、　　比較器與對稱陣列結(jié)構(gòu) CAM 結(jié)合起來構(gòu)成

12、了軟錯誤容錯 CAM。最后利用　　Nanosim 對軟錯誤容錯 CAM 的整體電路進(jìn)行了詳細(xì)地仿真驗證，并進(jìn)行了　　軟錯誤容錯 CAM 的版圖設(shè)計。　　本文所采用的加固方案總共增加的面積開銷約為 18.5%，搜索路徑增加　　的延遲約為 3.91ns，在對搜索速度要求比較嚴(yán)

13、格的領(lǐng)域，可以利用流水線技　　術(shù)將探測和糾錯劃分到兩個時鐘周期，以提高工作速度。對軟錯誤容錯　　CAM 電路的仿真結(jié)果顯示，在對數(shù)據(jù)隨機注入 384 次一位軟錯誤錯誤的情　　況下，依然可以正確工作，起到了良好的加固效果。　　關(guān)鍵詞&l

14、t;/p>　　軟錯誤；抗軟錯誤加固；內(nèi)容可尋址存儲器　　-I-　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文　　Abstract　　Content Addressable Memo

15、ry (CAM) can carry out high-speed data search　　which is also named associative memory. Data search result can be given in only　　one clock cycle by using CAM. Therefore, it is wid

16、ely used in Cache, IP address　　prefix lookup table in routers, and many other applications. However, soft error　　tends to occur in CAM within radioactive environment. It is impor

17、tant to mitigate　　the soft error in CAM.　　Because of the content-addressable function, ECC techniques commonly　　used in RAMs can’t be directly used in CAM. B

18、ased on the Symmetrical array　　structure and the data reading mechanism of CAM, ECC technique is used　　successfully in hardened CAM. Hardened CAM can automatically tolerate one&l

19、t;/p>　　bit soft error in the operation of data search.　　In this paper, a 64×128 bits Symmetrical array structure CAM, an ECC　　encoder/decoder and a matching bl

20、ock have been developed. The Symmetrical　　array structure CAM includes CAM cell array, R\W control, I\O, MMR etc. The　　ECC circuits and matching block curcuit are designd in ASIC

21、 design flow.　　Hardened CAM is composed of pre-hardened CAM cell array, ECC circuits and　　matching block circuits, which is simulated by the tool of Nanosim. The layout

22、　　of CAM part and ECC part are designed and verified.　　After using the hardening mechanism, chip area increases by 18.5%, the　　propagation delay of searching circuit i

23、ncreases by 3.91ns. The speed of　　hardened CAM can also be increased by pipeline techniques. Random faults　　simulation results show that hardened CAM can function legitimately, w

24、ith 384　　soft error samples injected into it.　　Keywords　　soft error, soft error hardening, CAM　　- II -</b

25、>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文　　目　　錄　　摘要 ..................................................................

26、.............................................................I　　Abstract ...................................................................................................................... II</

27、p>　　第 1 章緒論 ................................................................................................................ 1　　1.1 課題背景及意義 ............................................

28、................................................... 1　　1.2 軟錯誤簡介 ....................................................................................................... 2　　1.3 存儲

29、器加固技術(shù) ............................................................................................... 4　　1.4 論文研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu) ................................................................................

30、....... 7　　第 2 章對稱陣列結(jié)構(gòu)容錯 CAM 結(jié)構(gòu)設(shè)計............................................................. 8　　2.1 CAM 的結(jié)構(gòu)及分類.................................................................

31、......................... 8　　2.1.1 CAM 的結(jié)構(gòu)和工作原理........................................................................... 9　　2.1.2 CAM 分類........................................

32、......................................................... 10　　2.2 軟錯誤容錯 CAM 的結(jié)構(gòu)及加固原理.......................................................... 13　　2.2.1 軟錯誤發(fā)生地址的探測原理 ............

33、...................................................... 13　　2.2.2 軟錯誤容錯 CAM 的結(jié)構(gòu)及工作原理................................................... 15　　2.3 本章小結(jié) ..............................

34、........................................................................... 17　　第 3 章對稱陣列結(jié)構(gòu)容錯 CAM 電路設(shè)計........................................................... 18　　3.1 對稱陣列結(jié)構(gòu)

35、CAM 電路設(shè)計...................................................................... 18　　3.1.1 軟錯誤容錯 CAM 單元........................................................................... 18

36、;　　3.1.2 位線調(diào)節(jié)電路 .......................................................................................... 21　　3.1.3 位線驅(qū)動器 ............................................................................

37、.................. 22　　3.1.4 位線靈敏放大器 ...................................................................................... 22　　3.1.5 匹配線敏感放大器 ...................................

38、............................................... 24　　3.1.6 地址譯碼器 .............................................................................................. 24　　3.1.7 多匹配優(yōu)先選擇器

39、.................................................................................. 26　　3.1.8 對稱陣列結(jié)構(gòu) CAM................................................................................ 29&

40、lt;p>　　3.2 ECC 電路與比較電路設(shè)計 ............................................................................. 30　　3.2.1 ECC 編/解碼電路的設(shè)計 .....................................................................

41、.... 30　　3.2.2 比較電路設(shè)計 .......................................................................................... 33　　3.3 本章小結(jié) ....................................................

42、..................................................... 34　　- III -　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文　　第 4 章對稱陣列結(jié)構(gòu)容錯 CAM 驗證與版圖設(shè)計............................

43、................... 35　　4.1 對稱陣列結(jié)構(gòu)容錯 CAM 的功能驗證.......................................................... 35　　4.1.1 軟錯誤的注入 ........................................................

44、.................................. 35　　4.1.2 驗證平臺的結(jié)構(gòu) ...................................................................................... 36　　4.1.3 確定地址下的仿真 ...................

45、............................................................... 37　　4.1.4 整體功能驗證 .......................................................................................... 39　　4.

46、2 對稱陣列結(jié)構(gòu)容錯 CAM 版圖...................................................................... 40　　4.2.1 對稱陣列結(jié)構(gòu) CAM 電路版圖............................................................... 41

47、;　　4.2.2 ECC 編碼/解碼及比較器電路版圖 ......................................................... 42　　4.3 容錯部分增加的開銷 ..................................................................................... 43</p&g

48、t;　　4.4 本章小結(jié) ......................................................................................................... 44　　結(jié)論 ..............................................................

49、.............................................................. 45　　參考文獻(xiàn) .................................................................................................................... 46</p&g

50、t;　　攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 ................................................................................ 50　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明……………………………………….51　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書……………………

51、………………….51　　致謝 ............................................................................................................................ 52　　- IV -

52、;　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文　　第1章緒論　　1.1 課題背景及意義　　集成電路是現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中最核心部件，發(fā)生在集成電路中的瞬態(tài)故障　　是引起計算機系統(tǒng)失效的主要原因之一，即使是集成電路中一個狀態(tài)位

53、發(fā)生錯　　誤的改變，都有可能引起系統(tǒng)致命的錯誤。隨著集成電路制造工藝的不斷進(jìn)　　步，晶體管的尺寸越來越小，用于保持晶體管自身狀態(tài)所需的電荷數(shù)量也在減　　少，使得集成電路對各種輻射和噪聲干擾更加敏感[1]。當(dāng)集成電路受到宇宙射　　線和半導(dǎo)體材料中的放射性原子輻射作用時，可能

54、會導(dǎo)致集成電路內(nèi)部一些節(jié)　　點的狀態(tài)發(fā)生改變，這種狀態(tài)改變被稱為軟錯誤（soft error）。軟錯誤具有非永　　久性和不可再現(xiàn)性，是一種可以恢復(fù)的瞬態(tài)故障[2]。　　內(nèi)容可尋址存儲器（ Content Addressable Memory）又叫相關(guān)性存儲器　?。╝sso

55、ciative memory），是一種特殊的存儲器，它能將輸入的數(shù)據(jù)與存于自身　　的數(shù)據(jù)表進(jìn)行比較，返回輸入數(shù)據(jù)在 CAM 中的地址（或位置）[3]。CAM 具有　　高速數(shù)據(jù)搜索的功能，它可以在一個時鐘周期內(nèi)給出搜索結(jié)果，這使得 CAM　　在搜索密集型領(lǐng)域中得到了廣泛使用[4]，例如在高組相連 Cache 中，其

56、 Tag 部　　分通常要采用 CAM 來實現(xiàn)。CAM 的存儲單元通常為六管 SRAM 單元結(jié)構(gòu)，　　而六管 SRAM 單元是對輻射敏感的一種電路結(jié)構(gòu)，另外存儲單元陣列通常在　　芯片中要占很大的部分，并且程規(guī)則排列，所以芯片中的存儲部分受到輻射的　　概率相對較大,因此 CA

57、M 是一種軟錯誤敏感器件。　　ECC（Error Check and Correction）編碼檢錯糾錯技術(shù)是最常用的可靠性技　　術(shù)之一，它實現(xiàn)方便，增加的硬件開銷也相對較小，常用于高可靠性存儲器的　　加固。但是由于 CAM 按內(nèi)容尋址的特性，在其搜索模式下沒有將數(shù)據(jù)表中數(shù)

58、;　　據(jù)讀出的過程，因此 ECC 編碼檢錯糾錯技術(shù)難以直接應(yīng)用于 CAM 的加固，若　　想在 CAM 中應(yīng)用 ECC 編碼檢錯糾錯技術(shù)，必須采用新的結(jié)構(gòu)和方案。　　-1-　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文　　綜上所述，研究 CAM 的

59、抗軟錯誤加固具有重要的價值和意義。本文將　　ECC 技術(shù)用于 CAM 的抗軟錯誤加固，設(shè)計了一個規(guī)模為 64?128bits 的軟錯誤　　容錯 CAM。　　1.2 軟錯誤簡介　　在 20 世紀(jì) 7

60、0 年代人們發(fā)現(xiàn)，DRAM 中的數(shù)據(jù)位偶然會自發(fā)的發(fā)生反轉(zhuǎn)，　　并且這種反轉(zhuǎn)是隨機出現(xiàn)的，當(dāng)反轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)位被寫入新的值后，就和其它的數(shù)　　據(jù)位一樣，可以正確的工作了。研究者最初把這種現(xiàn)象的原因歸結(jié)為“系統(tǒng)噪　　聲”、“敏感放大器效應(yīng)”、“電壓邊緣效應(yīng)”、“模式敏感效應(yīng)”等。在后來的研<

61、p>　　究中，人們逐漸找到軟錯誤產(chǎn)生的真正原因。Intel 的研究人員曾指出，軟錯誤　　的原因在于?粒子的碰撞效應(yīng)導(dǎo)致了節(jié)點電壓的改變。1975 年出現(xiàn)了第一則由　　于軟錯誤而導(dǎo)致太空船上的電子器件發(fā)生故障的報道。1979 年在實驗室條件下　　發(fā)現(xiàn)了中子和質(zhì)子導(dǎo)致的軟錯誤。1983 年歐葛曼在地面上測量了宇

62、宙射線引起　　的軟錯誤率（SER）。1993 年在一個商用航天器的計算機上發(fā)現(xiàn)了中子導(dǎo)致的　　軟錯誤，同年來自 IBM 的艾倫和來自波音公司的尤金證明了太空中的軟錯誤　　率和 1-10MeV 能量的大氣中子流量之間的強相互關(guān)系。1995 年在 DRAM 中發(fā)　　現(xiàn)了又一種

63、導(dǎo)致軟錯誤的粒子—大氣中低能中子激活的硼-10。1996 年一項關(guān)　　于計算機日志文件的調(diào)查發(fā)現(xiàn)一臺擁有 156Gbit DRAM 的超級計算機每天可能　　發(fā)生幾次軟錯誤[5]。目前人們抗軟錯誤加固主要集中在存儲器、組合電路和時　　序電路等方面，本文主要研究 CAM 存儲器的抗軟錯誤加固。

64、　　由?粒子產(chǎn)生軟錯誤的過程如圖 1-1 所示，當(dāng)?粒子入射到器件時，會沿著　　其運動軌跡方向電離出大量的電子空穴對，如果電離的位置發(fā)生在晶體管反偏　　結(jié)附近，在耗盡層電場的作用下，電子和空穴或被收集到帶正電的擴散區(qū)域，　　或被排斥流入襯底，從而在該節(jié)點處產(chǎn)生一個電流脈沖 [6]。如果輻射發(fā)生在

65、　　NMOS 管的漏（源）區(qū)附近，則電子將被收集到 NMOS 管的漏（源）區(qū)，從　　而在該節(jié)點產(chǎn)生一個負(fù)脈沖電流；相反，如果輻射發(fā)生在 PMOS 管的漏（源）　　-2-　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文<

66、p>　　區(qū)附近，則空穴將被收集到 PMOS 管的漏（源）區(qū)，從而在該節(jié)點產(chǎn)生一個正　　脈沖電流[7]。由粒子撞擊電路節(jié)點而引起軟錯誤須要滿足三個條件：（1）晶體　　管必須處于關(guān)斷狀態(tài)，否則產(chǎn)生的電荷會通過溝道釋放掉；（2）該晶體管的漏　　-襯底 PN 結(jié)需處于反偏，有利于電荷的收集作用；（3）產(chǎn)生的電荷超過

67、臨界電　　荷才可能引起翻轉(zhuǎn)。　　目前的研究認(rèn)為導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生軟錯誤的輻射粒子主要有三種：（1）宇宙射　　線與大氣作用產(chǎn)生的中子[8]；宇宙射線與存在于晶體管 P 型區(qū)域或磷硅玻璃中　　的硼 10 同位素作用產(chǎn)生的熱中子[9,10]；集成

68、電路封裝和互連材料中雜質(zhì)衰變產(chǎn)　　生的?粒子[11]。　　α射線　　N+　　+　　-</b&

69、gt;　　N+　　+　　-　　+ +　　- -</b&

70、gt;　　+ +　　- -　　+ +　　-　　-</b

71、>　　P　　圖 1-1 N+電路節(jié)點?粒子產(chǎn)生軟錯誤的過程　　Figure 1-1 occurring of soft error induced by?? particle at N+ circuit node　　每個 SRA

72、M 存儲單元都有兩個敏感節(jié)點（如圖 1-2），關(guān)斷 NMOS 管的漏　　區(qū)和關(guān)斷 PMOS 管的漏區(qū)。在這兩個節(jié)點處，漏區(qū)和襯底形成一個反偏的 PN　　結(jié)，反偏結(jié)對粒子撞擊尤為敏感。當(dāng)收集的電荷超過被撞擊節(jié)點的臨界電荷　　時，存儲單元發(fā)生翻轉(zhuǎn)。能夠使存儲單元狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)的最小電荷稱為臨界電

73、　　荷 Qcrit，不同波形的電流脈沖會有不同的臨界電荷。粒子撞擊導(dǎo)致關(guān)斷 NMOS　　的漏區(qū)電荷泄漏會引起 1→0 的翻轉(zhuǎn)，同樣粒子撞擊關(guān)斷 PMOS 的漏區(qū)會引起　　0→1 的翻轉(zhuǎn)。CAM 的存儲單元通常為六管 SRAM 單元結(jié)構(gòu)，而六管 SRAM　　單元是對輻射敏感的一種電路結(jié)構(gòu)，另外存儲

74、單元陣列通常在芯片中要占很大　　-3-　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文　　的部分，并且程規(guī)則排列，所以芯片中的存儲部分受到輻射的概率相對較大,　　因此 CAM 是一種軟錯誤敏感器件。　　圖

75、1-2 SRAM 單元的敏感節(jié)點　　Figure 1-2 sensitive node at SRAM cell　　1.3 存儲器加固技術(shù)　　軟錯誤是由于集成電路受到外部輻射產(chǎn)生的,而不是由于設(shè)計和制造過程中　　的缺陷產(chǎn)生的[12]，具有非永久性和不可再現(xiàn)性。器件發(fā)生軟錯

76、誤的頻率定義為　　軟錯誤率。引起軟錯誤的原因是射線的電離效應(yīng),輻射粒子穿入硅襯底，沿其　　運動路徑隨著能量損失產(chǎn)生大量的電子-空穴對,如果這些電子-空穴對在晶體　　管源區(qū)和漏區(qū)的反偏結(jié)附近，在耗盡層電場的作用下，電子和空穴或被收集到　　帶正電的擴散區(qū)域，或被排斥流入襯底，

77、從而在該節(jié)點處產(chǎn)生一個電流或電壓　　的脈沖，在存儲器中此脈沖可能引起存儲單元的狀態(tài)發(fā)生改變，即在存儲器中　　發(fā)生了軟錯誤[13]。　　在航空航天等領(lǐng)域，抗軟錯誤加固技術(shù)早已得到了應(yīng)用。由于太空這個復(fù)　　雜的環(huán)境中存在很多高能射線粒子，導(dǎo)致航天器上的電子器件很容易發(fā)生軟錯&

78、lt;/p>　　誤，而且這些錯誤往往會導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，因此在航空航天領(lǐng)域，即使是以　　消耗芯片面積、提高制造成本為代價，也必須應(yīng)用抗軟錯誤加固技術(shù)。　　我國微電子的制造工藝、設(shè)計水平與美、日等國家還有一定的差距，近年　　來由于航空、航天等飛速發(fā)展，高可靠微電子器件研究也取得很好的發(fā)展

79、[14]。　　-4-　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文　　在國內(nèi)目前研究單位主要有電子研究13所、中科院等單位。主要的研究內(nèi)容有　　北京控制研究所的星載計算機的抗輻射研究，中科院的抗輻射存儲器，電子所<p

80、>　　和各大學(xué)的抗輻射器件和理論的研究。但是隨著集成電路工藝尺寸的減小帶來　　軟錯誤問題的加重，抗軟錯誤設(shè)計成為可靠性領(lǐng)域重要的課題。　　存儲部分通常要占用處理器等芯片中大量的面積，對存儲部分的加固一直　　是行之有效地提高芯片可靠性的方法。CAM 是一種特殊的存儲器，因此研究<

81、p>　　存儲器的加固方法對于 CAM 的抗軟錯誤加固也很有幫助。下面介紹常用于存　　儲器中的抗軟錯誤加固方法。　　(1)編碼檢錯糾錯技術(shù)　　編碼檢錯糾錯技術(shù)是最常用的可靠性技術(shù)之一。常見的編碼技術(shù)有奇偶效　　驗碼、BCH（Bose-Chaudhuri-Hocquen

82、hem）和 ECC 效驗碼等[15]，其中奇偶校　　驗碼只能夠檢測錯誤，不能糾正錯誤，而 ECC 碼則一般采用能夠檢測兩位錯　　糾正一位錯的 SEC-DED ECC 碼。漢明碼是一種高碼率的糾正單個錯誤的 ECC　　碼，它是在原編碼的基礎(chǔ)上附加一部分代碼，使其滿足糾錯碼的條件，屬于線<

83、;p>　　性分組碼，由于線性碼的編碼和譯碼容易實現(xiàn)，至今仍是應(yīng)用最廣泛的一類　　ECC 編碼。　　由于 RAM 存儲器的結(jié)構(gòu)特性，編碼技術(shù)可以很方便的應(yīng)用在 RAM 存儲　　器中，并且增加的硬件開銷一般也比較小，所以編碼技術(shù)廣泛用于 RAM 存儲

84、　　器的加固中。大多數(shù)的處理器都采用了一定的編碼檢錯糾錯技術(shù)以提高片內(nèi)存　　儲器的可靠性，例如 SPARC64, IBM's S/390 GS, alpha21264,itanium, powepc-　　a10, ultra-sparc II 等等。　　然而由于 CAM 存儲器按內(nèi)容尋址

85、的特性，使 ECC 效驗碼很難直接應(yīng)用于　　CAM 的加固中；由于 CAM 存儲器本身的結(jié)構(gòu)特性，導(dǎo)致它所占的面積和消　　耗的功耗都相對比較大，因此針對 CAM 存儲器的加固要考慮的因素相對較　　多，單純的編碼檢錯糾錯技術(shù)很難滿足 CAM 存儲器的加固要求，因此在　　CA

86、M 的抗輻射加固中，ECC 技術(shù)通常要結(jié)合其它方式的加固方法[16]。　　-5-　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文　?。?）改變存儲器單元電路的結(jié)構(gòu)　　通過合理設(shè)計片內(nèi)存儲器單元的電路結(jié)構(gòu)，可以提高片內(nèi)存儲器單元抗干

87、;　　擾的能力，因而提高了整個片內(nèi)存儲器的可靠性。一種在 SRAM 單元內(nèi)部交　　叉藕合布線之間產(chǎn)生額外電容的 SCC(stacked cross couple)技術(shù)，使得電容面積　　增大為 SRAM 單元面積的 40 % ， SRAM 單元總面積卻減少為原來的 80%，　　提高了 SRAM

88、單元對于軟錯誤的免疫力，同時并不影響電路的性能；ST 公司　　則通過在 SRAM 單元兩側(cè)分別增加一個額外電容，大大提高了 SRAM 單元的　　電容數(shù)值，因而提高了 SRAM 單元的可靠性。也有專門針對于 TCAM 存儲單　　元的加固方法，由于每個 TCAM 的存儲單元都有兩個六管 SRAM 單元，因此<

89、/p>　　可以在兩個六管 SRAM 單元增加一些晶體管，將兩個六管 SRAM 單元連接起　　來，一方面增加存儲單元的臨界電荷量，另一方面還能引入一些反饋機制來增　　加 TCAM 存儲單元的抗單粒子翻轉(zhuǎn)的能力[17]。　?。?）存儲單元版圖設(shè)計技術(shù)

90、;　　為了提高片內(nèi)存儲器的可靠性，可以采用特殊的版圖設(shè)計方法[18]，例如為　　了防止多位錯，在版圖設(shè)計時采用交錯的設(shè)計方法，可以將相鄰多位錯轉(zhuǎn)化為　　獨立的單位錯；另外，還可以采用環(huán)形柵、H 柵等特殊版圖來提高晶體管抗輻　　射能力。

91、　　在集成電路的版圖設(shè)計中，也可以通過增大晶體管的尺寸來增加存儲單元　　的臨界電荷量，使存儲單元的抗軟錯誤能力提高，是一種提高存儲器可靠性的　　最直接有效的方法，但是這種方法通常要帶來很大的面積開銷，也是與集成電　　路的發(fā)展趨勢相反，因此在存儲器的可靠性研究中很少用到這種方法。<p&

92、gt;　?。?）冗余技術(shù)　　冗余技術(shù)同樣是最普遍采用的可靠性技術(shù)之一，在高可靠性的系統(tǒng)中，經(jīng)　　常用到冗余技術(shù)。冗余技術(shù)是最為有效的可靠性技術(shù)之一，但是通常情況下冗　　余技術(shù)的硬件開銷相對比較大，因此采用冗余技術(shù)通常情況下要綜合考慮很多

93、;　　因素，如系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)，加固成本，增加的硬件開銷等等。在可靠性要求　　-6-　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文　　比較高的領(lǐng)域，對電路的某些部分采用冗余加固也不失為一種好的方法。　　在實際應(yīng)用中，對存儲器的加固的方法主要有工藝

94、和電路兩個方面[19]。在　　工藝方面：日立公司開發(fā)了一種針對 DRAM 的熱懸浮控制技術(shù)能夠有效的降　　低軟錯誤率；而意法半導(dǎo)體公司開發(fā)的 rSRAM（增強型 SRAM）技術(shù)將在不　　過多增加芯片制造成本的前提下，有效地消除嵌入式 SRAM 軟錯誤對電子設(shè)　　備可能造成

95、的不良影響；Cypress 半導(dǎo)體公司則通過制造工藝、封裝和芯片層　　次的整體改進(jìn)來減小靜態(tài)隨機存儲器的軟錯誤率。在電路方面：MoSys 公司已　　開發(fā)出一種錯誤校正技術(shù)，它可以減小單個晶體管 SRAM 的軟錯誤而不需要　　更多芯片面積。采用該技術(shù)和配套的透明錯誤校正，可以在 0.13μm 線寬工藝</p&

96、gt;　　保持 1000FIT 軟錯誤率；瑞薩科技公司在開發(fā)一種新技術(shù)時，使用了 ECC 電　　路，極大地改善了用于網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備，以及類似產(chǎn)品的軟錯誤免役性[20]。　　1.4 論文研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)　　本文采用 0.18um 工藝，成功地利用將 ECC 編碼檢錯糾錯技術(shù)應(yīng)用于</p&g

97、t;　　CAM 的加固中，設(shè)計實現(xiàn)了一種 64×128bits 對稱陣列結(jié)構(gòu)軟錯誤容錯 CAM　?。ê喎Q軟錯誤容錯 CAM），并對 CAM 的容錯功能進(jìn)行了詳細(xì)仿真驗證，最后　　對軟錯誤容錯 CAM 進(jìn)行了版圖設(shè)計。　　第一章介紹了課題背景及意義、軟錯誤的產(chǎn)生機理以及主要的存儲器加

98、固　　技術(shù)；　　第二章首先介紹了 CAM 的結(jié)構(gòu)及分類，然后說明了本文所設(shè)計的軟錯誤　　容錯 CAM 的結(jié)構(gòu)及工作原理；　　第三章詳細(xì)說明了軟錯誤容錯 CAM 的電路實現(xiàn)，主要包括對稱結(jié)構(gòu)陣

99、　列、ECC 電路和比較電路；　　第四章對軟錯誤容錯 CAM 進(jìn)行了功能驗證，并介紹了主要電路模塊的版　　圖設(shè)計和驗證，接著給出了軟錯誤容錯 CAM 增加電路的開銷；　　最后，根據(jù)上文的仿真結(jié)果和分析給出了本文結(jié)論。　　-7-<

100、/p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文　　第2章對稱陣列結(jié)構(gòu)容錯 CAM 結(jié)構(gòu)設(shè)計　　CAM 具有按內(nèi)容尋址的特性，這使得 ECC 編碼檢錯糾錯技術(shù)難以直接應(yīng)　　用于 CAM 的加固。采用對稱陣列結(jié)構(gòu) CAM 可以有效地找到可能匹配的地

101、址，在實際應(yīng)用中起到了軟錯誤探測的作用，這就為在 CAM 中加入數(shù)據(jù)讀出　　機制提供了可能。有了數(shù)據(jù)的選擇讀出機制，就可以利用 ECC 編碼檢錯糾錯　　技術(shù)對 CAM 進(jìn)行抗軟錯誤加固。本文正是利用了這種存儲數(shù)據(jù)的選擇讀出機　　制，將 ECC 電路、比較器電路與對稱陣列結(jié)構(gòu) CAM 結(jié)合起來構(gòu)成了對稱陣列<

102、/p>　　結(jié)構(gòu)軟錯誤容錯 CAM。　　2.1 CAM 的結(jié)構(gòu)及分類　　CAM 可以在一個時鐘周期內(nèi)給出搜索結(jié)果，這種高的搜索速度使得 CAM　　在搜索密集型應(yīng)用中得到了廣泛的使用。這些應(yīng)用包括：參數(shù)曲線提取[21]，　　Hough 轉(zhuǎn)換，Huf

103、fman 編、解碼[22,23]，Lempel-Ziv 壓縮[24]，圖像編碼，以及相　　關(guān)計算(associative computing)等。　　九十年代中期以后，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，以及各種應(yīng)用對 CAM　　性能需求的提高，CAM 得到了迅速的發(fā)展[25]。尤其在高速網(wǎng)絡(luò)如 Internet 應(yīng)用&l

104、t;/p>　　方面，CAM 研究更為活躍?，F(xiàn)在 CAM 的商用產(chǎn)品主要集中在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，　　如用來將 IP 包進(jìn)行分類和前遞的網(wǎng)絡(luò)路由器[26]。在網(wǎng)絡(luò)中，例如 Internet，像　　e-mail 或 web 網(wǎng)頁之類的信息在傳送的時候，首先被打散成幾百字節(jié)大小的小　　數(shù)據(jù)包，經(jīng)過網(wǎng)

105、絡(luò)結(jié)點(即路由器)，最終在目的地被重新組合成原來的信息。　　其中路由器的作用就是在眾多的路由結(jié)點中選出一個符合數(shù)據(jù)包要求的目標(biāo)結(jié)　　點(即查表操作)，然后將數(shù)據(jù)包路由到下一個路由結(jié)點。由于 CAM 的高速搜　　索能力，用它來完成這樣的查表操作非常合適。

106、　-8-　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文　　2.1.1 CAM 的結(jié)構(gòu)和工作原理　　CAM 一般由存儲器陣列、搜索數(shù)據(jù)寄存器和優(yōu)先編碼器三部分組成[27],如　　圖 2-1 所示。數(shù)據(jù)表(存儲數(shù)據(jù) 0~存儲數(shù)據(jù) w-1)被存放在存儲器陣列中，搜<

107、;/p>　　索數(shù)據(jù)通過搜索數(shù)據(jù)寄存器加載到搜索線上。匹配線標(biāo)志著此地址下存儲的數(shù)　　據(jù)是否與搜索數(shù)據(jù)相同（或匹配），匹配情況經(jīng)過優(yōu)先編碼器后輸出，在有多　　個匹配的情況下，優(yōu)先編碼器將優(yōu)先級最高的匹配地址輸出[28]。　　圖 2-1 CAM 的基本結(jié)構(gòu)框圖<

108、;p>　　Figure 2-1 basic structure of CAM　　圖 2-2 為 CAM 的工作原理圖，它的數(shù)據(jù)表中共有四個字，在每個字都三　　個存儲單元（cell）組成，SLi 與 SLni 為搜索線，MLi 為匹配線。搜索開始后，　　搜索數(shù)據(jù)先被加載到搜索寄存器內(nèi)，然后再進(jìn)行搜索求值。在搜

109、索求值階段，　　匹配線和搜索線要先被預(yù)充，此時匹配線處于一個“暫時匹配”的階段，此后　　的求值階段，搜索字被驅(qū)動到差分輸入線上，每一個 CAM 單元開始將搜索線　　上的值與所存儲的值相比較。如果所有的位都匹配，那么匹配線將保持在預(yù)充　　的高電平；相反，只要有一位不匹配，那

110、么匹配線就會放電到低電平。接著由　　敏感放大器（MLSA）來檢測匹配線是否處于匹配狀態(tài)。最后，編碼器將匹配　　線的位置信息編碼成地址輸出。　　-9-　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文　　圖 2

111、-2 CAM 的工作原理圖　　Figure 2-2 simple schematic of a model CAM　　2.1.2 CAM 分類　　常見的 CAM 單元主要有或非型（NOR）和與非型（NAND）兩種[29]，如圖　　2-3,2-4 所示，這兩種 CAM 單元

112、由兩個交叉耦合的反相器來實現(xiàn)的存儲功能，　　這與六管 SRAM 單元的結(jié)構(gòu)相同[30]，雖然也可以用 DRAM 單元結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)存　　儲功能，但沒有六管 SRAM 單元結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[31]。　　或非單元用四個管 M1～M4 來實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)位與存儲位的比較。一般情　　況下，M1～

113、M4 管要做到最小尺寸以增加單元密度。這四個管用下拉通道的方　　式實現(xiàn)了一個動態(tài)同或（XNOR）邏輯門，邏輯門的輸入是 SL 和 D。每一個　　對管 M1、M3 和 M2、M4 形成了從匹配線到地的一條通道，當(dāng) SL 和 D 失配　　(不相等)時，至少有一條通道打開，將匹配線 ML 與地相連。而當(dāng) SL 和 D

114、匹　　配時，兩條通道都關(guān)閉，匹配線 ML 和地斷開。　　當(dāng)多個或非單元并行地連接在一起，將它們的匹配線短接在一起，這時實　　現(xiàn)的就是一個或非功能?；蚍菃卧摹盎蚍恰本腕w現(xiàn)在這。這些并行連接的對　　地通道就像 CMOS 或非邏輯門中的對地通道。因此，匹配的條件也就很明<

115、;/p>　　顯：只有當(dāng)每一個單元都匹配時，整個字才能匹配。　　- 10 -　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文　　SL　　ML<

116、;/p>　　SLn　　n SL ML0　　M1 ML0+1　　SLn　　M

117、1　　M3　　Dn　　D　　M2　　M4

118、　　MD　　D　　MDn　　Dn　　圖 2-3 或非型 C

119、AM 單元圖　　Figure 2-3 CAM cell for NOR type　　2-4 與非型 CAM 單元　　Figure 2-4 CAM cell for NAND types　　與非單元用三個管 M1、MD 和 MDn 來實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)位與存儲位的比較。</

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對稱陣列結(jié)構(gòu)容錯cam設(shè)計

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