抗软错误TCAM设计

论文摘要

三态可按内容寻址存储器(TCAM)是一种特殊的存储器,它不仅可以像传统存储器一样读、写,还可以进行高速的数据搜索,因而被广泛地用作CPU里的Cache、TLB和路由器里的IP地址前缀查找表等。然而随着越来越多的电子器件被应用到辐射环境和集成电路制造工艺尺寸的减小,TCAM越来越容易发生软错误。因此研究TCAM的抗软错误加固技术具有重要的现实意义。鉴于TCAM不能像其它常规存储器一样直接用ECC电路来提高抗软错误能力,本文采用了一种针对TCAM的抗软错误加固结构。加固后的TCAM主要由加固前的TCAM、嵌入式DRAM和ECC电路组成,利用嵌入式DRAM周期性刷新的特性不断对TCAM相应存储阵列中的数据进行重写或纠错,从而实现对TCAM的抗软错误加固。本文首先设计了一个规模为64×144bits的常规TCAM、一个规模为64×152bits的嵌入式DRAM和相应的汉明码编、解码电路,并用仿真工具Nanosim分别对它们进行了仿真优化。然后根据本文所采用的加固电路结构将这三部分电路用选通器和数据寄存器有机组合到一起,构成一个规模为64×144bits的抗软错误TCAM。最后对加固后电路的常规TCAM和ECC电路部分进行了版图设计和验证。对加固后TCAM的随机故障仿真表明:与加固前相比,加固后TCAM的写数据操作和搜索操作的速度性能基本没受影响,平均功耗增加了30.7%,芯片面积增加了约10.9%,但软错误率较加固前降低了两个数量级,加固效果显著。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 CAM简介
• 1.2.1 CAM的结构和工作原理
• 1.2.2 CAM单元
• 1.3 软错误的产生机理
• 1.4 集成电路存储器加固技术国内外研究现状
• 1.5 论文研究内容及结构
• 第2章 抗软错误TCAM设计
• 2.1 抗软错误TCAM的结构和工作原理
• 2.2 TCAM电路设计
• 2.2.1 TCAM单元电路设计
• 2.2.2 行地址译码器设计
• 2.2.3 匹配线敏感放大器设计
• 2.2.4 优先级编码器设计
• 2.2.5 TCAM电路仿真与分析
• 2.3 嵌入式DRAM电路设计
• 2.3.1 eDRAM存储单元阵列设计
• 2.3.2 字线升压电路设计
• 2.3.3 灵敏放大器电路设计
• 2.3.4 eDRAM电路仿真与分析
• 2.4 ECC电路设计
• 2.4.1 汉明码的校验原理
• 2.4.2 ECC电路的设计与仿真
• 2.5 本章小结
• 第3章 抗软错误TCAM电路的仿真及分析
• 3.1 抗软错误TCAM电路的无故障仿真及分析
• 3.2 抗软错误TCAM电路的故障仿真及分析
• 3.2.1 α粒子辐射模型
• 3.2.2 确定故障仿真及分析
• 3.2.3 随机故障仿真及分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 主要电路模块的版图设计与验证
• 4.1 提高电路可靠性的版图设计原则
• 4.2 各个主要电路模块版图
• 4.2.1 TCAM电路版图
• 4.2.2 ECC电路版图
• 4.2.3 eDRAM电路版图
• 4.3 版图验证
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢