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关于一种低功耗、抗软错误的TCAM系统设计

作者:美术论文
出处:www.lunrr.com
时间:2019-10-25

1简介

三态内容可寻址存储器(TCAM)不仅可以进行诸如SRAM和DRAM之类的读写操作,而且还具有三态搜索功能,可以提供对1,0和(X)状态的搜索支持,并且给出了搜索结果在时钟周期内,并在相关计算机领域中具有极其广泛的应用,例如路由网络搜索,消息分类和完全连接的缓存。但是,随着集成电路进入超深亚微米时代,存储器(SoftErrorRate,SER)的软错误率大大提高。 TCAM使用对软错误敏感的SRAM单元,并且由于TCAM的接地反弹噪声严重且难以实现布局交错技术,因此TCAM比普通存储器更容易受到软错误的影响。更重要的是,增加增强电路将不可避免地带来更多的功耗,这将使TCAM的高功耗问题更加严重。因此,如何实现低功耗的TCAM抗软错误电路已成为一个新的研究热点。

目前,国内外对CAM的抗辐射研究主要有以下几点:(1)HJLee提出了一种可以即时检测软错误的电路结构。他在存储器的每个字电路中执行奇偶校验,其优点是该电路的结构易于实现,但是随着多位翻转概率的增加,其局限性也越来越明显。 (2)K.Pagiamtzis等。提出了一种适用于BiCAM的基于ECC的方法(二进制CAM,仅0)1,不能存储X)增强方案,该方案经过改进且免疫效果显着,但仅适用于BiCAM。此外,DRAM具有较高的临界电荷,其刷新性能可以通过软错误很好地解决。逻辑问题,但是如何将其应用于TCAM的抗辐射应用仍有待讨论。

针对以上问题,本文提出了一种基于刷新的机制

TCAM系统结构。

2TCAM系统原理简介

野田秀行等。提出了一种与eDRAM(嵌入式DRAM)相关的具有高软错误抗扰性的TCAM架构,该架构可连续地从eDRAM(由ECC编码)读取数据,然后在写入之前纠正错误数据。在内存中。通过连续刷新,可以防止软错误的累积并降低SER。然而,随着工艺尺寸的缩小,结构也存在一系列问题。首先,尽管NOR型TCAM结构的搜索速度非常快。但是,功耗问题限制了其在低功耗领域的发展。这是因为,就概率而言,TCAM的匹配输出大多不匹配,总匹配仅是一个很小的数目,而NOR类型结构只有一个。比特不匹配会产生功耗,因此NOR型TCAM会消耗大量功率。其次,尽管单管DRAM单元的基本操作很简单,但是读取和刷新功能使系统必须首先分析数据的正确性。根据该结果,判断是否执行了纠错和回写,从而增加了系统的定时复杂度。最后,由于该系统仅具有一组汉明编码和解码纠错电路,因此只能针对比特纠错,不能解决由于倾斜引起的许多逻辑错误。

本文对结构进行了适当的改进。系统结构:采用NAND型TCAM结构和新型匹配线技术,降低搜索功耗;通过使用三管DRAM代替单管DRAM来优化系统时序;区分汉明编码和解码纠错电路,以消除某些两位软错误翻转的影响。因此,整个系统基于TCAM,利用eDRAM的刷新特性,汉明码校正后的数据繁重。写入TCAM以实现抗辐射性。

时机。系统的工作信号是功能选择信号。当工作信号为低电平时,系统通过位线(bl)将外部数据写入edram和tcam。原始数据存储在tcam中,由hamming编码的数据存储在edram中。当外部数据逐字写入TCAM和EDRAM时,系统将外部数据写入TCAM和EDRAM。工作信号变高,表示系统拒绝接收外部数据,并开始读取、搜索和刷新操作。刷新一方面补偿了由于edram泄漏而引起的电荷损失,另一方面又将校正后的解码数据重写为tcam和edram,以达到抗软错误和校正的目的。

假设在t0发生粒子轰击,导致tcam或edram中的一个发生翻转。此时,系统将从edram中连续读取汉明码数据,然后纠正错误数据并写入tcam,防止软错误的积累。系统还可以将edram的正确数据重写到tcam中,达到纠错的目的。由于本文采用了一种独特的汉明编解码纠错电路,该电路在左右半区都独立工作,如果在每个解码电路的工作区都出现了这两个错误,则类似于一位纠错。系统可以完成。如果在同一工作区域发生两个错误,系统将无法修复它们。例如,72位源代码分为高36位和低36位,用于汉明编码。42位编码数据分别存储在dram的左半部分和右半部分。如果这两个错误中的一个发生在左半部分,另一个则被发送出去。出生在右半部分,系统可以修复错误;如果同时在左半部分或右半部分发生两个错误,系统将无法纠正它们。

系统3关键电路的设计与分析

3.1低功耗TCAM匹配线路设计

本文使用的低功率TCAM匹配线的结构。该结构包括多个串联的级,每个级包括一个预充电电路和四个NAND型TCAM单元。预充电路由pre_clk信号控制,当其为低功率时。通常,电路对其内部预充电节点进行预充电;当它变高时,预充电点将根据是否匹配而放电或维持。结构如下:如果第一级TCAM匹配,则第一级的匹配输出将被翻转,第二级被判断为匹配;如果第一阶段TCAM的匹配没有发生,则匹配输出保持不变,从而第二阶段将保持在预充电阶段,并且没有评估操作;等等。可以预见,只有在当前级别成功匹配之后,下一个级别才会开始进行匹配判断。换句话说,只有成功匹配的级数才会产生功耗,而错配的级数不会产生功耗,这将大大减少系统在搜索过程中产生的功耗。第一级成功匹配,其预充电路径输出翻转信号。当第二阶段未达到完全匹配时,输入将丢失。它保持不变,导致第三级保持在预充电阶段,并最终输出失配信息。在三级电路中,只有前两级产生功率消耗,而第二级消耗的功率比第一级少得多,从而实现了降低搜索功耗。

匹配线最关键的部分是预充电电路的设计。预充电电路的本质是多米诺骨牌电路,因此选择PMOS反馈管的宽长比成为当务之急。如果长宽比太大,则会导致电路的上拉能力不足,从而导致严重的漏电现象,从而导致发生不匹配时预充电点无法保持高电平;如果宽长比太小,则电路的下拉能力会减弱,并且在执行评估时无法获得预充电点。下拉至GND。预充电电路的设计思想,其中MP0是反馈管,点a是预填充点。设计分为两个步骤:第一步,让最远的TCAM单元不匹配,其他完全匹配,这时一个点的电荷将被夹在不匹配处。调节MP0,使输出保持高电平。在最大泄漏的情况下,这将确保足够的上拉能力。第二步是执行完全匹配。点电荷将全部流入GND。再次调节MP0,使输出变低。这样,当电路具有强大的上拉能力时,电路便具有足够的下拉能力。两者的平均值是MP0的宽度和长度。比。

3.2汉明编码和解码纠错电路的实现

作为一种高速单位纠错编码,汉明码由于其简单,高效和易于实现而仍然是使用最广泛的代码类型。现在,以(4,7)海明码为例。描述本文使用的汉明编码和解码纠错电路的设计思想。

根据公式:2k-1(> k + m)(m为源代码宽度,K为校验位宽度),4位源代码为3位,位于20位(X0),21位(X1)和22位(X3)。基于矩阵甚至测试,计算校验位,而其他位则依次由源代码填充。汉明编码电路,其核心是双校验电。根据解码原理,我们首先使用奇偶校验检查编码数据是否错误。如果没有错误发生,则奇偶校验检测器将输出“ 0”,即3-8解码器的输出将为“ 0”。此时,相同或栅极输入将始终保持高电平。因此,解码的输出将为“ 0”。对于相同或门的输入,即源代码数据,也完成了解码操作。如果发生错误,则偶校验电路产生错误的数据位,并且在通过3-8解码器解码之后,错误位的相应输出将变为“ 1”。在这种情况下,错误位上相同或门的一个输入将变为“ 0”。那么解码输出是相同的还是门输入,因此,当左右一半对应于一组汉明编码和解码纠错电路并且发生两次翻转时,如果每半只发生一次翻转,则系统可以校正两个错误;否则,如果两个错误同时存在。在同一半区域中,系统将无法纠正两个或更多个错误,因为汉明代码无法纠正它们。

3.3三管DRAM单元

eDRAM结构基于单管DRAM单元的存储结构。它的读取和写入操作非常简单。在写周期中,数据被放置在BL上。当存储器进入读取周期时,电容器将根据数据值进行充电或放电。在读取操作之前,先对WL进行预充电。当WL导通时,根据BL上的电压波动来判断读取的数据。并且,单管DRAM的读取操作是刷新操作,即,读取数据,并且完成数据。数据刷新。此时,如果DRAM存储了错误的数据,则数据将同时刷新回DRAM。因此,原始系统需要判断读取的数据是否正确,然后根据判断结果进行校正。错误并回写,这使得刷新纠错太复杂时的定时操作。

为了解决上述问题,本文使用三管DRAM单元代替单管单元。尽管增加了面积开销,但读写分离功能使三管DRAM单元更适合于抗辐射的TCAM系统。在三管DRAM单元中,存储在该单元中的数据不受读取操作的影响。更重要的是,三管DRAM单元使用双字线,即,读取和写入每个占用一条字线。刷新后,只需要先读取它即可。将数据存储在单元中,然后打开写线,可以将数据重写到DRAM中,即刷新操作完成。可以看出,系统只需要在读取路径上放置汉明解码纠错电路,将汉明编码电路放置在写入路径中并刷新,还实现了纠错功能,从而避免了误操作。单管DRAM单元在解码之前执行数据判断,并降低了时序复杂度。此外,存储数据的无损特性使其对于嵌入式存储器应用程序非常有吸引力。

4电路测试与仿真分析

4.1低功耗抗软错误TCAM系统仿真策略

为了验证该结构的抗软误差性和低功耗,本文构建了一个完整的16×8bit系统。工艺库为SMIC0.13μm1.2VCmos工艺库,仿真软件为HSPICE。仿真结果可分为无软误差。软错误情况下时间和免疫性能仿真的功能仿真:前者检查增强型TCAM电路的功能和速度、功耗等是否受到影响;后者使用S.Satoh等人提出的α粒子辐射模型铝。i(t)=qt2-t1e-tt2-et(t1)或i(t)=-qt2-t1e-tt2-et(t1)来测试tcam在各种情况下软化到软错误后的免疫性。其中q是引发翻转的临界电荷,t2是脉冲下降时间常数,t1是脉冲上升时间常数。上述方程表示在时间t时诱导的0→1和1→0的反演。等价物由spice语言描述。建模并将其插入电路网络列表中进行模拟。

4.2仿真结果及分析

功耗仿真结果。与传统的匹配线相比,新匹配线的功耗大大降低。此外,随着存储位宽度的增加,功耗将进一步降低。经过TCAM匹配线后,抗辐射系统的搜索功耗仅为7.5fJbitsearch-1,相比于加固前的5.8fJbitsearch-1,功耗仅增加了增长29.8%。这是因为在系统执行搜索操作时,其他操作(如读取,写入和刷新)被禁用,因此只有TCAM中的搜索模块在工作。而且,先进的低功耗NAND型TCAM匹配线结构减少了搜索。平均功耗。尽管与未增强的相比有所改善,但是增加主要是由于系统中的缓冲区组和触发器组增加了。其他数据显示系统的读取功耗为6.75fJ/bit。刷新功耗为24.83fJ/bit。显然,刷新操作占据了系统平均功耗的绝大部分。此处的功率计算包括系统的所有模块,而不仅仅是匹配线。另外,由于增强电路没有改变TCAM搜索路径,因此对系统搜索的增强速度没有影响。

列出了本文所实现的抗软错误tcam。可见,该系统对一次翻转具有很强的抗干扰能力,具有很好的抗软错误能力。特征。此外,当tcam有多个位翻转而edram没有多个位翻转时,系统可以执行正确的逻辑操作。此外,如果在edram中发生对单个地址的两位翻转,并且在左右hamming码电路的工作区中分别发生两位翻转,即每组hamming码电路仅对应一个软错误。此时,根据汉明译码和纠错的原理,系统在刷新时仍然可以执行与一位错误相同的功能。纠错。但是,如果在同一汉明码电路(左半或右半相同)的工作区内发生两位翻转,则系统无法进行纠错,电路会将解码后的输出错误数据刷新到TCAM中。导致搜索错误。因此,只有当EDRAM中发生三次或三次以上翻转,或同一汉明码电路工作区发生两次或两次以上翻转时,系统才会出错,否则系统才会在出错的地方进行纠正,从而达到抗干扰的目的。

5结论

改进了基于刷新机制的tcam结构。新的nand型tcam匹配线降低了系统的功耗。双半区工作模式的汉明编解码纠错电路使系统能够免疫全部一个翻转和部分两个翻转。位翻转读写分离三管dram单元不仅简化了嵌入式hamming码模块引起的刷新定时问题,而且其高临界电荷特性解决了深亚微米时代tcam严重的软错误现象。功耗仅比未硬化的高29.8%,搜索速度不受影响。该系统对tcam低功耗和抗软错误增强技术的研究具有一定的参考价值。

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