TM－CAM：一種高效的容軟錯誤相聯存儲器＊

孫 巖，黎鐵軍，王發源，張民選

（國防科學技術大學計算機學院，湖南 長沙 410073）

1 引言

相聯存儲器CAM（Content Addressable Memory）可對輸入的待比較數據與所存儲的數據進行全并行的比較。由于它速度很快，廣泛應用于需要高速全相聯的局部數據搜索應用中［1］。在微處理器中，地址轉換緩沖器和一些高速Cache就是由CAM和SRAM組成CAM－RAM結構，通過對輸入的地址和CAM中存儲的內容進行比較來命中SRAM中相應的項，從而得到需要訪問的數據［2］。CAM－RAM結構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。

作為存儲部件的一種，CAM對軟錯誤非常敏感。當集成電路的特征尺寸減小到納米級，CAM因軟錯誤引起的可靠性問題變得更加嚴峻［3］。與隨機訪問存儲器不同，CAM無法使用錯誤保護碼來糾正軟錯誤。CAM一般處于存儲部件的關鍵路徑上，開銷較大的保護技術會嚴重影響系統性能。因此，針對CAM研究開銷小、結構簡單的軟錯誤緩解技術具有重要的意義。

2 容軟錯誤CAM結構

CAM對輸入的搜索字進行比較，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誤。然而，在CAM－RAM結構中，CAM中存儲地址，RAM中存儲數據，這為CAM使用錯誤編碼提供了可能。有研究［4］在CAM－RAM結構的RAM陣列中增加一列存儲單元，用于儲存對應CAM項的校驗位，如圖1所示。

Figure 1 Structure of soft error tolerance CAM圖1 容軟錯誤CAM結構

當輸入搜索字與CAM中的一項匹配時，該CAM項的校驗位將會隨著相對應的RAM項讀出，與此同時搜索字的校驗位也被計算出來。接著兩個校驗位進行比較，如果結果相同，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［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結構，使用一種高效的三值匹配線機制檢測假失配。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。

3 TM－CAM結構

3.1 三值匹配線機制

CAM中的假失配是指當輸入搜索字與待比較字原本應當匹配，但待比較字的一位發生翻轉，導致比較結果錯誤地不匹配。因此，在只發生一位錯誤的前提下，假失配應當表現為搜索字與CAM中存儲字只有一位不相同，即海明距離為1。因此，如果能檢測出搜索字與CAM存儲字中海明距離為1的項，即可能為假失配。

為此，本文提出三值匹配線機制，實現搜索字與存儲字海明距離為1的檢測。與傳統的匹配線不同，三值匹配線機制中除了邏輯“0”和“1”，還存在介于二者之間的第三個值。對于或非CAM結構來說，當搜索字與存儲字的所有位都匹配時，與匹配線連接的所有下拉NMOS管關閉，匹配線為邏輯“1”；當有且僅有一位不匹配時，NMOS管有一個打開，由于此時管電阻較大，匹配線在一定時間內放電到邏輯“0”與“1”中間的狀態；當存在兩位或以上不匹配時，下拉NMOS管至少兩個導通，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CAM單元，NMOS管為下拉管，匹配線連接到一個靈敏放大器上。為了實現三值匹配線機制，需要對匹配線靈敏放大器進行一定的修改，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 三值匹配線機制

圖3a表示普通匹配線的模型。當所有位都匹配的情況下，匹配線模型為一個電容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；當一位不匹配的情況下，匹配線的模型為一個等效電容CML和一個電阻REQ并聯的形式，REQ為不匹配的CAM單元中下拉晶體管的等效電阻。當所有位都匹配時，由于沒有接地的通路，匹配線維持邏輯“1”；當一位不匹配時，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。當所有位匹配時與普通匹配線類似，為一個等效電容CML，匹配線電壓在電源電壓附近；當一位不匹配時，匹配線的模型為等效電容CML和等效電阻REQ1并聯的形式，但REQ1較大，一定時間內（約為半時鐘周期）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；當兩位不匹配時，匹配線模型為等效電容CML與等效電阻REQ2并聯的形式，由于此時REQ2減小，電荷在一定時間內能夠泄放掉大部分，匹配線的電壓在地電壓附近；當兩位以上不匹配時，等效電阻進一步減小，匹配線的電壓達到更低的水平。

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。設定兩個閾值電壓：高閾值電壓VTH和低閾值電壓VTL，如果匹配線電壓大于VTH，認為所有位匹配；電壓介于VTH和VTL之間的，認為有且僅有一位不匹配；如果電壓低于VTL，則認為至少有兩位不匹配。這樣，匹配線電壓被劃分為三個區域。

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行放大，供后續邏輯使用。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的一種電路實現結構。該電路使用了兩個不同閾值（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為一個傳輸管。由ML信號產生TA和TB后，通過D觸發器得到匹配線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）結構

為了設計精確的MLTSA，VTH和VTL必須進行仔細調整，反相器的尺寸尤為關鍵。反相器的開關閾值VM可通過調整NMOS和PMOS尺寸的比例實現精確控制［5］。VM定義為Vin＝Vout的點，其值可以由電壓傳輸特性與直線Vin＝Vout的交點求得。在這一區域中，由于VDS＝VGS，因此兩個晶體管總是飽和的，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，即VDSAT＜VM－VT。與此同時，忽略溝長調制效應，于是有：

其中，kn和kp分別為NMOS和PMOS管的器件增益因子，當工藝確定時為常數，VDSATn和VDSATp分別為NMOS和PMOS管的飽和電壓，VM為反相器的開關閾值電壓，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。

假設兩晶體管柵氧厚度相同。當VDD與VTn和VTp及VDSATn和VDSATp相比較大時，式（2）簡化為：

式（4）表明，閾值VM取決于比值r，它是PMOS與NMOS管相對驅動強度的比。若需要VM較大，可提高r的值，如果降低r的大小，將會提高NMOS晶體管的強度，使得VM靠近GND。

由以上的推導，可以得出使開關閾值等于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管的工藝跨導參數。

4 TM－CAM訪問算法

對于一個輸入搜索字，TM－CAM可能輸出三種結果：

（1）不匹配位數為0。這時讀出對應RAM中的一組數據及校驗位，同時計算搜索字校驗位。之后比較讀出和計算得到的校驗位，如果相同則為真匹配，反之為假匹配。

（2）不匹配位數為1。讀出對應RAM中的一組數據及校驗位，同時計算搜索字校驗位。之后比較讀出和計算得到的校驗位，如果相同則為假失配，反之為真失配。

（3）不匹配位數大于或等于2。此時一定為真失配。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中增加了一個很小的CAM校驗位列，帶來的面積開銷也很小。三值匹配線機制和三值靈敏放大器對海明距離為1的情況進行檢測，為判斷假失配創造了條件，但沒有增加額外的延時。搜索字校驗位計算與RAM讀操作并行進行，延時被隱藏。TM－CAM訪問算法只增加了一級校驗位比較邏輯，但由于位數很少，邏輯簡單，只有極小的延時增加。分析來看，本文提出的TM－CAM結構的面積開銷很小，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 實驗與分析

為了進行評估，本文采用65nm CMOS工藝實現了TM－CAM的三值匹配線和三值靈敏放大器，并采用SPICE模擬進行驗證。

在TM－CAM結構中，三值靈敏放大器決定了三值匹配線中三種值的電壓范圍，是設計的重點。在圖5由MT1和MT2組成的反相器中，需要將轉換閾值提高到VDD／2以上，應盡量增大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。兩個反相器的轉換閾值VM分別約在0.65V和0.40V附近，這也決定了三值匹配線機制中匹配線電壓的三個范圍。

圖8表示三值靈敏放大器的傳播延時。在后一級連接D觸發器的情況下，兩個傳播延時分別為33.6ps和34.1ps。這與普通的匹配線靈敏放大器延時相近，因此三值匹配線機制不會對CAM的整體性能造成任何影響。

圖9表示TM－CAM軟錯誤注入模擬結果。當0位不匹配時，匹配線ML大于0.65V，經過三值靈敏放大器后，MLA和MLB都為邏輯“0”；當一位不匹配時，ML的電壓在時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”；當兩位及以上不匹配時，ML的電壓降低到0.40V以下，MLA和MLB的值都為邏輯“1”。實驗結果表明，TM－CAM結構能夠準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，普通的CAM不會進行任何操作，而在TM－CAM中要將對應的RAM項讀出并比較校驗位。此時RAM的讀操作、校驗位計算和比較都是無效操作，將顯著降低系統的性能。

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構建的DL1Cache、IL1Cache和DTLB的失效率進行統計。模擬程序選用SPEC2000中的九組整數測試程序。結果表明，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，因此發生的概率會很低，這種情況引起的性能損失可以忽略。

6 結束語

本文提出了一種容軟錯誤相聯存儲器結構TM－CAM，通過三值匹配線機制和三值靈敏放大器，能夠檢測CAM中發生的所有假匹配和假失配錯誤，其結構簡單有效。在檢測出錯誤后，可以采用相應的機制重新執行指令，或重取數據來改正錯誤。對于可靠性要求較高的系統，校驗位也可以使用ECC等編碼機制，如果發生錯誤可以通過編碼來自行糾正。實驗結果表明，本文所提出的技術能夠以較小的開銷有效地緩解CAM中的軟錯誤問題。

［1］ Sun Y，Zhang J X，Zhang M X，et al.Reducing vulnerability to soft errors in sub－100nm content addressable memory circuits［J］.Journal of Semiconductors，2010，31（2）：025013－1－025013－5.

［2］ Mupid A，Mutyam M，Vijaykrishnan N，et al.Variation analysis of CAM cells［C］∥Proc of International Symposium＆Exhibits on Quality Electronic Design，2007：333－338.

［3］ Li Xiao－wei，Hu Yu，Zhang Lei，et al.Fault tolerant design of digital integrated circuits［M］.Beijing：Science Press，2011.（in Chinese）

［4］ Luong D H.Soft－error tolerant cache architectures［D］.Tokyo：The University of Tokyo，2006.

［5］ Rabaey J M，Chandrakasan A，Nikolic B.Digital integrated circuits：A design perspective［M］.2nd Edition.NJ：Prentice Hall，2003.

附中文參考文獻：

［3］ 李曉維，胡瑜，張磊，等.數字集成電路容錯設計［M］.北京：科學出版社，2011.