[论文解读] Selective Match-Line Energizer Content Addressable Memory(SMLE -CAM)

V. Mohammed Zackriya, Harish M. Kittur|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2014

Network Packet Processing and Optimization参考文献 15被引用 8

一句话总结

该论文提出SMLE-CAM，一种新型内容寻址存储器架构，通过仅选择性地激活与搜索关键字前三位条件匹配的匹配线（MLs），从而降低功耗。采用定制的XNOR-CAM和XOR-CAM单元实现早期匹配，利用NOR-CAM链完成完整比较。在90 nm TSMC工艺下实现的256×144位设计，实现0.115 fJ/bit/search的功耗指标和361.6 ps的搜索延迟——为迄今报道的最佳结果。

ABSTRACT

A Content Addressable Memory (CAM) is a memory primarily designed for high speed search operation. Parallel search scheme forms the basis of CAM, thus power reduction is the challenge associated with a large amount of parallel active circuits. We are presenting a novel algorithm and architecture described as Selective Match-Line Energizer Content Addressable Memory (SMLE-CAM) which energizes only those MLs (Match-Line) whose first three bits are conditionally matched with corresponding first three search bit using special architecture which comprises of novel XNOR-CAM cell and novel XOR-CAM cell. The rest of the CAM chain is followed by NOR-CAM cell. The 256 X 144 bit SMLE-CAM is implemented in TSMC 90 nm technology and its robustness across PVT variation is verified. The post-layout simulation result shows, it has energy metric of 0.115 fJ/bit/search with search time 361.6 ps, the best reported so far. The maximum operating frequency is 1GHz.

研究动机与目标

• 通过最小化不必要匹配线的激活，降低大规模内容寻址存储器（CAMs）的功耗。
• 解决传统CAM架构中并行活动电路导致的高功耗问题。
• 为网络和数据处理等应用提供能效高且高速的搜索操作。
• 开发一种新颖架构，利用早期位匹配技术选择性激活相关匹配线。
• 在真实硅工艺中验证设计在工艺、电压和温度（PVT）变化下的鲁棒性与性能。

提出的方法

• 引入一种新型XNOR-CAM单元，用于并行比较搜索关键字与存储数据的前三位。
• 使用一种新型XOR-CAM单元，根据前三位匹配状态生成条件使能信号。
• 实现一种选择性供电机制，仅激活前三位匹配的匹配线。
• 在初始三位匹配检查后，使用标准NOR-CAM单元完成剩余位的比较。
• 通过避免在无匹配预期时对完整匹配线进行充电，最小化动态功耗。
• 在TSMC 90 nm工艺中实现256×144位的SMLE-CAM，并通过后版图仿真验证性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于早期位比较的选择性匹配线供电是否能显著降低CAM架构中的动态功耗？
• RQ2 专用XNOR和XOR-CAM单元的使用如何在不牺牲搜索速度的前提下提升能效？
• RQ3 所提出架构对高速CAM应用中的能效指标和延迟有何影响？
• RQ4 SMLE-CAM设计在工艺、电压和温度（PVT）变化下的鲁棒性如何？
• RQ5 所提出架构能否实现优于现有CAM设计的能效延迟积？

主要发现

• SMLE-CAM实现了0.115 fJ/bit/search的能效指标，为迄今报道的最佳结果。
• 搜索延迟为361.6 ps，表明其具备适用于实时应用的高速性能。
• 设计最高工作频率达1 GHz，证实其高性能能力。
• 后版图仿真结果表明，设计在工艺、电压和温度（PVT）变化下均表现稳健。
• 选择性供电机制通过避免对非匹配条目进行完整匹配线充电，显著降低了动态功耗。
• XNOR-CAM与XOR-CAM单元的集成实现了匹配潜力的早期判定，从而在不损失性能的前提下实现功耗节省。