「超高密度、高能效的基於 3D-NAND 快閃記憶體的內容可定址記憶體設計」

使用 3D-NAND 快閃記憶體的超高密度和高能效內容可定址記憶體設計

隨著大資料和人工智慧的快速發展，資料密集型應用程式例如模式識別、影片處理、資料庫引擎和網路路由器的需求急劇增加，這對儲存和處理龐大資源的系統提出了嚴格要求。由於內容可定址記憶體(CAM)具有不同於隨機存取記憶體(RAM)的工作方式和高度並行和快速速度的強大功能，因此為資料密集型計算系統提供理解決方案。然而現有的傳統 CMOS 基礎的 CAM 設計因電路面積過大以及因技術縮放而產生的有較大待機功耗等問題，制約了資料密集型計算系統的進一步發展。

研究內容

北京大學的楊浩章等人提出了一種基於 3D-NAND 的 CAM 設計，該設計具有超高密度和低功耗，可應用於資料密集型計算。其具體意義和創新點如下：

1. 所提出的 CAM 設計在字線方向上使用兩個相鄰的 NAND 電晶體構成一個 CAM 單元。CAM 儲存的資料由這兩個電晶體的閾值共同確保。當使用 16 層的 3D-NAND 陣列時，能量消耗量(0.196 fJ/bit/search)比傳統的基於 SRAM 的 TCAMs(技術為 32 奈米，能量消耗量為 0.58 fJ/bit/search)更低，由於 3D 堆疊特性，細胞密度高 157 倍。
2. 提出了一種基於 3D-NAND 快閃記憶體的多層 CAM 設計，以提升細胞密度和擴充套件功能，該設計在一個 CAM 單元中儲存多個邏輯狀態。模擬結果顯示，4 層 CAM 設計的全匹配和 1 位不匹配情況之間有一個大視窗(>0.6 V)，取證了其可行性。分析了 3D-NAND 層數以及寄生電阻和電容對多層 CAM 設計效能的影響，為改善工藝和材料提供了指導。

研究結果已經發表在《科學中國訊息科學》期刊上。

設計的意義

該研究提出的基於 3D-NAND 快閃記憶體的 CAM 設計具有以下顯著的意義：

• 能夠在資料密集型應用中提供一種高效的解決方案。CAM 設計的高並行和快速速度使其非常適合用於模式識別、資料庫引擎和網路路由器等需要大量處理資源的應用。
• CAM 設計的高細胞密度使其更加節省空間。由於 3D-NAND 的堆疊特性，相比傳統的基於 SRAM 的 TCAMs，該研究提出的設計能夠使細胞密度增加 157 倍，這樣可以為大型資料中心節省更多的空間。
• CAM 設計的低功耗為節約能源提供了新的選擇。對於需要長時間執行的資料中心，節省能源成為一個重要的考慮因素。

建議和展望

上述研究是電腦科學發展的一個重要裏程碑，該研究對於超大型資料中心的節能和空間管理都有很大意義。然而該研究還需要在實際應用上進一步測試其效能。同時未來的研究還可以探索其他新的積體電路設計，提高計算處理效率的同時可以進一步節約空間和能源。

總之該研究的技術創新和發展對於解決大資料和人工智慧的應用程式方面的挑戰非常重要，在實際應用範圍中有著巨大的發展前景。

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