Un diseño de memoria direccionable de contenido de ultra alta densidad y eficiencia energética basado en flash 3D-NAND

Las aplicaciones informáticas con uso intensivo de datos, como el reconocimiento de patrones, el procesamiento de video, los motores de bases de datos y los enrutadores de red, han aumentado drásticamente debido al rápido desarrollo de big data e inteligencia artificial (IA), que plantean requisitos estrictos para almacenar y procesar recursos de datos masivos.

Debido a los diferentes esquemas de trabajo de la memoria de acceso aleatorio (RAM) y la poderosa funcionalidad de alto paralelismo y alta velocidad, la memoria direccionable de contenido (CAM) proporciona una excelente solución para los sistemas informáticos de uso intensivo de datos. Sin embargo, los diseños CAM basados ​​en CMOS convencionales existentes impiden un mayor desarrollo en los sistemas informáticos intensivos en datos debido a un área de circuito excesivamente grande y un consumo de energía en espera no trivial como la reducción de escala de la tecnología.

Haozhang Yang y los coautores de la Universidad de Pekín proponen un diseño CAM novedoso basado en 3D-NAND con densidad ultraalta y bajo consumo para computación intensiva en datos. El significado específico y la novedad se resumen a continuación:

1) El diseño CAM propuesto emplea dos transistores NAND adyacentes en la dirección de la línea de palabra para constituir una celda CAM. Los datos almacenados en la celda CAM están determinados por el voltaje de umbral de dos transistores juntos. Cuando se emplea una matriz 3D-NAND de 16 capas, el consumo de energía (0,196 fJ/bit/búsqueda) es menor que el de las TCAM convencionales basadas en SRAM (0,58 fJ/bit/búsqueda en tecnología de 32 nm) y la densidad celular es 157 veces mayor. más alto que eso debido a la función de apilamiento 3D.

2) Se propone un diseño CAM multinivel basado en flash 3D-NAND para aumentar la densidad de celdas y expandir la funcionalidad, que almacena varios estados lógicos en una celda CAM. Los resultados de la simulación muestran una gran ventana (>0,6 V) entre los casos de coincidencia total y los casos de discrepancia de 1 bit del diseño CAM de 4 niveles, lo que verifica su viabilidad. También se analizan los efectos de las capas 3D-NAND y la resistencia y capacitancia parásitas en las propiedades del diseño CAM multinivel, lo que brinda la guía para mejorar el proceso y el material.

La investigación se publica en la revista Ciencia China Ciencias de la información.