CN111341365B - 三态内容可寻址存储器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种三态内容可寻址存储器及其操作方法，该三态内容可寻址存储器包括3D NAND闪存存储阵列，该3D NAND闪存存储阵列具有多个闪存单元，在特定闪存单元中预先存储有供查找的数据，3D NAND闪存存储阵列的位线用于在数据查找操作下被施加由待搜索数据转换成的电压，漏极选择线和源极选择线用于在数据查找操作下被施加高电压，以使得选择晶体管处于导通状态；该3D NAND闪存存储阵列的字线中某个字线被选中用于在数据查找操作下被施加读电压，其余字线用于在数据查找操作下被施加通过电压；闪存单元的输出电流经源线汇总输出，该源线上的输出电流用于指示待搜索数据与供查找数据的匹配结果。该三态内容可寻址存储器能够明显降低静态能耗，有效减小电路面积。

Description

三态内容可寻址存储器及其操作方法
技术领域
本公开属于半导体器件及其集成技术领域，涉及一种三态内容可寻址存储器及其操作方法。
背景技术
与普通的存储器不同，三态内容可寻址存储器(TCAM，Ternary ContentAddressable Memory)是通过输入内容来查找数据所在的地址，这个性质使得它在稀疏编码、IP路由和近似计算等方面应用十分广泛。
然而传统的TCAM是基于静态随机存取存储器(SRAM，Static Random AccessMemory)实现，往往一个单元就需要十几个互补金属氧化物半导体(CMOS，ComplementaryMetal Oxide Semiconductor)晶体管来构建，同时在非查找状态，整个系统也需要持续供电。近年来，随着人工智能和大数据的快速发展，供搜索查找的数据量呈爆炸式增长，传统的TCAM实现方法将会对功耗和电路面积等带来巨大的挑战，因此亟需发展一种低功耗、高密度的TCAM实现方法，以满足海量数据搜索查询的要求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种三态内容可寻址存储器及其操作方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种三态内容可寻址存储器(TCAM)，所述TACM包括3D NAND(与非)闪存存储阵列，该3D NAND闪存存储阵列包括多个闪存单元；其中，所述3DNAND闪存存储阵列中，在特定闪存单元中预先存储有供查找的数据，所述3D NAND闪存存储阵列的位线用于在数据查找操作下被施加由待搜索数据转换成的电压，所述3D NAND闪存存储阵列的漏极选择线和源极选择线用于在数据查找操作下被施加高电压，以使得选择晶体管处于导通状态；所述3D NAND闪存存储阵列的字线中某个字线被选中用于在数据查找操作下被施加读电压，其余字线用于在数据查找操作下被施加通过电压；闪存单元的输出电流经源线汇总输出，该源线上的输出电流用于指示待搜索数据与供查找数据的匹配结果。
在本公开的一实施例中，所述特定闪存单元包括处于同一条字线且位于相邻两条位线上的第一闪存单元和第二闪存单元，所述第一闪存单元和第二闪存单元用于共同表示1位/比特(1bit，称为位或者比特)数据。
在本公开的一实施例中，所述第一闪存单元的阈值电压为低电压，且所述第二闪存单元的阈值电压为高电压对应的存储状态为：存储有数据“1”；所述第一闪存单元的阈值电压为高电压，且所述第二闪存单元的阈值电压为低电压对应的存储状态为：存储有数据“0”；所述第一闪存单元和所述第二闪存单元的阈值电压均为高电压对应的存储状态为：存储有数据“X”。
在本公开的一实施例中，所述3D NAND闪存存储阵列的位线用于在数据查找操作下被施加由待搜索数据转换成的电压，包括：当待搜索数据为“1”时，相邻两条位线分别为第一位线和第二位线，第一位线施加的电压为0，第二位线施加的电压为漏极驱动电压；当待搜索数据为“0”时，第一位线施加的电压为漏极驱动电压；第二位线施加的电压为0；当待搜索数据为“X”时，第一位线和第二位线施加的电压均为0。
在本公开的一实施例中，所述漏极驱动电压的大小等于3D NAND闪存存储阵列作为存储器工作时对应的漏极驱动电压。
在本公开的一实施例中，所述源线上的输出电流用于指示待搜索数据与供查找数据的匹配结果包括：源线上输出电流为低电流时，指示待搜索数据与供查找数据相匹配；源线上输出电流为高电流时，指示待搜索数据与供查找数据不匹配；且电流值相对越高，指示待搜索数据与供查找数据的不匹配程度越大。
根据本公开的另一个方面，提供了一种三态内容可寻址存储器的操作方法，所述三态内容可寻址存储器包括3D NAND闪存存储阵列，该3D NAND闪存存储阵列包括多个闪存单元，该操作方法包括：将供查找的数据预先存储于所述3D NAND闪存存储阵列的特定闪存单元中；在数据查找操作下，将由待搜索数据转换成的电压施加于所述3D NAND闪存存储阵列的位线上，同时在所述3D NAND闪存存储阵列的漏极选择线和源极选择线上均施加高电压，使得选择晶体管处于导通状态；以及在数据查找操作下，选中某个字线施加读电压，其余字线均施加通过电压；闪存单元的输出电流经源线汇总输出，根据源线上的输出电流判断待搜索数据与供查找数据的匹配结果。
在本公开的一实施例中，上述操作方法还包括：响应于判断待搜索数据与供查找数据的匹配结果为不匹配，选择与上一次选择不同的字线施加读电压，其余字线均施加通过电压，以此类推，直至判断待搜索数据与供查找数据的匹配结果为匹配。
在本公开的一实施例中，所述将供查找的数据预先存储于所述3D NAND闪存存储阵列的特定闪存单元中，包括：采用处于同一条字线且位于相邻两条位线上的两个闪存单元表示1位(1bit)数据，特定闪存单元中包括至少一组所述处于同一条字线且位于相邻两条位线上的两个闪存单元，所述两个闪存单元分别为第一闪存单元和第二闪存单元；其中，当存储数据为“1”时，第一闪存单元的阈值电压被调整为低电压，第二闪存单元的阈值电压被调整为高电压；当存储数据为“0”时，第一闪存单元的阈值电压被调整为高电压，第二闪存单元的阈值电压被调整为低电压；当存储数据为“X”时，第一闪存单元和第二闪存单元的阈值电压均被调整为高电压。
在本公开的一实施例中，所述将由待搜索数据转换成的电压施加于所述3D NAND闪存存储阵列的位线上，包括：当待搜索数据为“1”时，相邻两条位线分别为第一位线和第二位线，在第一位线施加的电压为0，在第二位线施加的电压为3D NAND闪存存储阵列作为存储器工作时对应的位线驱动电压；当待搜索数据为“0”时，在第一位线施加的电压为3DNAND闪存存储阵列作为存储器工作时对应的位线驱动电压，在第二位线施加的电压为0；当待搜索数据为“X”时，在第一位线和第二位线施加的电压均为0。
在本公开的一实施例中，所述根据源线上的输出电流判断待搜索数据与供查找数据的匹配结果，包括：当源线上的输出电流为低电流时，则判断待搜索数据与供查找数据相匹配；当源线上的输出电流为高电流时，则判断待搜索数据与供查找数据不匹配；且电流值相对越高，判断待搜索数据与供查找数据的不匹配程度越大。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的三态内容可寻址存储器及其操作方法，具有以下有益效果：
将3D NAND闪存(FLASH)存储阵列用作TCAM，无需改变3D NAND闪存存储阵列的结构，通过在特定闪存单元中预先存储供查找(查找/搜索)的数据，例如可以通过编程或擦除的操作在3D NAND闪存存储阵列中写入供查找的数据，写入的供查找数据作为用于后续搜索的数据库；然后将由待搜索数据转换成的电压施加于3D NAND闪存存储阵列的位线上，并使得选择晶体管导通；在读取时，可以根据源线上输出电流判断待搜索数据与供查找数据是否匹配，最终实现数据查找/搜索功能，基于3D NAND FLASH存储阵列的TCAM能够明显降低静态能耗，有效减小电路面积，对于未来TCAM系统的设计和应用具有重要意义。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的三态内容可寻址存储器的结构示意图。
图2为现有技术中三态内容可寻址存储器的基本结构框图。
图3为如图1所示的三态内容可寻址存储器进行数据查找操作的示意图。
图4为如图3所示的三态内容可寻址存储器在数据查找操作下对应的电压加载示意图。
图5为根据本公开一实施例所示的三态内容可寻址存储器进行2bit数据查找操作的示意图。
图6为如图5所示的三态内容可寻址存储器进行2bit数据查找操作中的输出结果。
图7为根据本公开另一实施例所示的三态内容可寻址存储器的操作方法流程图。
【符号说明】
现有技术中的附图标记：
WL：写入线；SL：搜索线；ML：匹配线；
本公开实施例中的附图标记：
BL，BL’，BL0，BL1，BL0’，BL1’，BL2，……，BLk：位线；
WL0，WL1，……，WLm-1，WLm：字线；
DSL，DSL0，……，DSLn：漏极选择线；
SSL：源极选择线；
SL，SL0，SL1，……，SLn：源线。
具体实施方式
本公开提出了一种三态内容可寻址存储器及其操作方法，将3D NAND闪存(FLASH)存储阵列用作TCAM，无需改变3D NAND闪存存储阵列的结构，通过在特定闪存单元中预先存储供查找(查找/搜索)的数据，写入的供查找数据作为用于后续搜索的数据库；然后将由待搜索数据转换成的电压施加于3D NAND闪存存储阵列的位线上，并使得选择晶体管导通；在读取时，可以根据源线上输出电流判断待搜索数据与供查找数据是否匹配，最终实现数据查找/搜索功能，基于3D NAND FLASH存储阵列的TCAM能够明显降低静态能耗，有效减小电路面积，对于未来TCAM系统的设计和应用具有重要意义。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
第一实施例
本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种三态内容可寻址存储器(TCAM)。
图2为现有技术中三态内容可寻址存储器的基本结构框图。
参照图2所示，三态内容可寻址存储器(TCAM，Ternary Content AddressableMemory)作为一种存储器，除了具有常规存储器的存储功能之外，还可以过输入内容来查找数据所在地址，在稀疏编码、IP路由以及近似计算等领域具有广泛的应用。现有的TCAM的结构中，基于SRAM器件实现，一个单元需要有十几个CMOS晶体管来构建，进行写操作和读操作与普通的存储器相同，都是输入地址，返回存储在相应地址上的数据，通过该TCAM的写入线(WL，Write Line)来实现。数据查找操作是目前TCAM最主要的用途，它能够从巨大的数据库中进行快速查找，并且返回最佳的匹配地址。TCAM的三态“Ternary”体现在每个位/比特(bit)有三种状态，除掉常规二进制存储的“0”和“1”之外，还有一种“not-in-concern”的“X”，即不关心它的值。正是第三种状态“X”的存在，使得TCAM既可以进行精确查找，也可以进行模糊查找。关于状态“X”，规定如下：当存储的数据为“X”时，无论待搜索的数据为何，都将匹配；反过来，当待搜索的数据为“X”时，无论存储的数据为何，也都将匹配。由图2可知，待搜索的数据通过搜索线(SL，Search Line)输入，与预先存储好的数据进行比较，然后通过匹配线(ML，Match Line)连接到输出模块，最终输出一个与待搜索数据最接近的匹配地址，称之为最佳匹配地址。
本公开实施例中基于3D NAND闪存(FLASH)存储阵列实现TCAM的功能，该TACM包括3D NAND闪存存储阵列，该3D NAND闪存存储阵列包括多个闪存单元。具体实现方式下面进行详细介绍。
首先，先参照图1来介绍本实施例中3D NAND闪存存储阵列的结构。
图1为根据本公开一实施例所示的三态内容可寻址存储器的结构示意图。
参照图1所示，本实施例中，该3D NAND FLASH存储阵列包括多个闪存单元，闪存单元即为NAND FLASH单元，后面的描述中二者等同。NAND FLASH单元可以通过编程/擦除(PROGRAM/ERASE)操作来改变其阈值电压。当进行编程操作时，NAND FLASH单元衬底的电子在栅压的控制下会通过隧穿层进入到浮栅层中，从而造成NAND FLASH单元的阈值电压上升；而当进行擦除操作时，在栅压的控制下电子会从浮栅层出去或有空穴进入到浮栅层中，此时阈值电压下降。
参照图1所示，该3D NAND FLASH存储阵列中，假设沿着字线WL(Wordline)计数增长的方向为z方向，位线BL(Bitline)延伸的方向为y方向，漏极选择线DSL(Drain SelectLine)延伸的方向为x方向。BL线和DSL线垂直交叉，用来在x-y平面确定一个具体的NANDFLASH单元串，该NAND FLASH单元串包括若干个源漏串联连接的NAND FLASH单元，而字线WL则负责在z方向上确定这个单元串中需要操作的NAND FLASH单元。
继续参照图1所示，多个闪存单元形成沿着x，y，z方向呈(k+1)×(n+1)×(m+1)的阵列，其中，k≥1，n≥0，m≥0，k、n和m均为整数。在闪存单元形成的阵列的顶部和底部具有选择晶体管，包括源极选择管与漏极选择管，图1中以位于阵列顶部的选择晶体管为漏极选择管(或者也称为漏极选择晶体管)，位于阵列底部的选择晶体管(或者也称为源极选择晶体管)为源极选择管进行示例。将沿x方向的漏极选择管(或者称为MOS管)的栅极连在一起，记为漏极选择线DSL，图1中分别以DSL0，……，DSLn示例沿着y方向分布的多条漏极选择线，共有(n+1)条漏极选择线DSL。在连线上，漏极选择线DSL用于对3D NAND FLASH阵列操作时y方向上进行定位。沿y方向的漏极选择管的漏极都连在一起，记为位线BL，用于x方向的定位，图1中分别以BL0，BL1，BL2，……，BLk示例沿着x方向分布的多条位线，共有(k+1)条位线BL。所有z方向高度相同的NAND FLASH单元的栅极连在一起，记为字线WL，图1中分别以WL0，WL1，……，WLm-1，WLm示例沿着z方向分布的多条字线，共有(m+1)条字线WL。最下面一层的选择晶体管称为源极选择管，所有的栅极也是连在一起，记为源极选择线SSL。该3D NANDFLASH存储阵列中一个存储单元块(block)只有一条SSL，即所有的SSL连接在一起，为共用的源极选择线，因此沿着y方向分布的多条源极选择线均以SSL进行表示，无需示意出下角标进行区分。沿x方向的源极选择管的源极都连在一起，引出一条源线SL作为输出，图1中分别以SL0，……，SLn示例沿着y方向分布的源线SL，共有(n+1)条SL，与漏极选择线DSL的数量相同。
基于上述介绍已经清楚了本公开的基于3D NAND闪存存储阵列的TCAM中闪存存储阵列的结构，接下来结合图3来介绍该TCAM如何实现数据查找操作功能。
图3为如图1所示的三态内容可寻址存储器进行数据查找操作的示意图。
本实施例中，TACM包括3D NAND(与非)闪存存储阵列，该3D NAND闪存存储阵列包括多个闪存单元。其中，3D NAND闪存存储阵列中，在特定闪存单元中预先存储有供查找的数据。3D NAND闪存存储阵列的位线用于在数据查找操作下被施加由待搜索数据转换成的电压，3D NAND闪存存储阵列的漏极选择线和源极选择线用于在数据查找操作下被施加高电压以处于导通状态。3D NAND闪存存储阵列的字线中某个字线被选中用于在数据查找操作下被施加读电压，其余字线用于在数据查找操作下被施加通过电压。闪存单元的输出电流经源线汇总输出，该源线上的输出电流用于指示待搜索数据与供查找数据的匹配结果。
进一步结合图3来介绍该3D NAND闪存存储阵列中，在特定闪存单元中预先存储供查找的数据的方法。
参照图3所示，由于TCAM中存储的状态有三种，“0”、“1”和“X”，在一示例性实施例中，以z方向相同、y方向相同、x方向相邻的两个NAND FLASH单元来存储TCAM中的1bit数据，记这两个相邻的NAND FLASH单元串所对应的两条位线分别为第一位线BL和第二位线BL’。
在本公开的一实施例中，所述特定闪存单元包括处于同一条字线且位于相邻两条位线上的第一闪存单元和第二闪存单元，所述第一闪存单元和第二闪存单元用于共同表示1位/比特(1bit，称为位或者比特)数据。需要注意的是，第一闪存单元和第二闪存单元的个数可以是多个，沿着字线的方向可以进行分布。
例如，本实施例中，参照图3所示，示意了两个相邻位线上的闪存单元，位于第一位线BL上的闪存单元为第一闪存单元，位于第二位线BL’上的闪存单元为第二闪存单元。图3中以不带圆圈的闪存单元示意低阈值电压，以带圆圈的闪存单元示意高阈值电压。在一实例中，比如，图3中用点划线的方框示意了位于字线WL1和第一位线BL上的第一闪存单元，位于字线WL1和第二位线BL’上的第二闪存单元，该第一闪存单元的阈值电压为低(阈值)电压，且该第二闪存单元的阈值电压为高(阈值)电压，对应的存储状态为：存储有数据“1”。类似的，如图3中用点划线的方框所示，位于字线WL0和第一位线BL上的第一闪存单元的阈值电压为高电压，且位于字线WL0和第二位线BL’上的第二闪存单元的阈值电压为低电压，对应的存储状态为：存储有数据“0”。如图3中用点划线的方框所示，位于字线WLm-1和第一位线BL上的第一闪存单元的第一闪存单元的阈值电压为高电压，位于字线WLm-１和第二位线BL’上的第二闪存单元的阈值电压也为高电压，对应的存储状态为：存储有数据“X”。
在一实施例中，可以通过编程和擦除操作，将数据预先存进3D NAND FLASH阵列的特定闪存单元中。在图1所示的3D NAND FLASH阵列规模下，多个闪存单元形成(k+1)×(n+1)×(m+1)的阵列，每次待搜索数据以及存储数据的位数最大为(1+k)/2bit，对应(1+k)/2结果不是整数的情况，则向下取整，比如，k＝2，(1+k)/2的结果为1.5，则位数为1。每次可并行搜索并比较的数据个数为(n+1)个，整个block块可以存储的数据总个数为(n+1)×(m+1)个。
接下来结合图4介绍在数据查找操作下对应TCAM的电压情况。
图4为如图3所示的三态内容可寻址存储器在数据查找操作下对应的电压加载示意图。
在本公开的一实施例中，结合图3和图4所示，3D NAND闪存存储阵列的位线用于在数据查找操作下被施加由待搜索数据转换成的电压。具体而言，在数据查找操作下，待搜索数据转换电压的方法如下：当待搜索数据为“1”时，相邻两条位线分别为第一位线BL和第二位线BL’，在第一位线BL施加的电压VBL为0，也就是说，将第一位线BL接地(GND)，第二位线BL’施加的电压VBL’为漏极驱动电压Vdrive；在一实例中，该漏极驱动电压可以等于3D NAND闪存存储阵列作为存储器工作时对应的漏极驱动电压。当待搜索数据为“0”时，在第一位线BL施加的电压VBL为漏极驱动电压Vdrive；在一实例中，该漏极驱动电压可以等于3D NAND闪存存储阵列作为存储器工作时对应的漏极驱动电压；第二位线BL’施加的电压VBL’为0，即，将第二位线BL’接地(GND)。当待搜索数据为“X”时，在第一位线BL和第二位线BL’分别施加的电压VBL、VBL’均为0，即，将第一位线BL和第二位线BL’均接地。
同时，在数据查找操作下，漏极选择线和源极选择线用于在数据查找操作下被施加高电压，以使得选择晶体管处于导通状态。如图4所示，在搜索“1”、“0”和“X”时，施加于漏极选择线DSL的电压VDSL为高电平电压Von，使得漏极选择管处于导通状态，施加于源极选择线SSL的电压VSSL为高电平电压Von，使得源极选择管处于导通状态。进一步参照图4所示，在数据查找操作下，在搜索“1”、“0”和“X”时，在源线SL上施加的电压VSL均为0，也就是说，搜索“1”、“0”和“X”时，源线SL接地。
继续参照图3和图4所示，在数据查找操作下，在搜索“1”、“0”和“X”时，3D NAND闪存存储阵列的字线中某个字线被选中用于被施加读电压，例如选中图3中多条字线中的字线WL0，在被选中的该字线WL0上施加的电压VWL-sel为读电压Vread，其余未被选中的字线WL1，WL2，……，WLm上施加的电压VWL-unsel为通过电压Vpass。参照图3所示，闪存单元的输出电流经源线SL汇总输出，该源线SL上的输出电流用于指示待搜索数据与供查找数据的匹配结果。
在本公开的一实施例中，源线上的输出电流用于指示待搜索数据与供查找数据的匹配结果包括：源线上输出电流为低电流时，指示待搜索数据与供查找数据相匹配；源线上输出电流为高电流时，指示待搜索数据与供查找数据不匹配。另外两个数据之间不匹配的bit数目与电流大小成正相关，源线上输出电流的电流值相对越高，指示待搜索数据与供查找数据的不匹配程度越大。
当然，上述选中的字线以WL0作为示例，可以按照一定的选择方式对字线逐一进行选择，在每次的数据查找操作中只选择一条字线施加读电压，其余未被选中的字线全部施加通过电压，以对该字线所定位的闪存单元进行读取操作，例如，在一实例中，可以从最下面的字线WL0开始，每次只选择一条字线施加读电压，其余未被选中的字线全部施加通过电压，通过源线SL上输出的电流大小来判断待搜索数据和存储的供查找数据的匹配情况。如果不匹配，则依次向上，选择另外一条字线来施加读电压，其余字线施加通过电压，以此类推，直到结果匹配，则停止整个搜索。
在本实施例中，对选中字线施加的读电压和其余未选中字线施加的通过电压可以与3D NAND FLASH作为存储器工作时的读电压、通过电压的数值相同。
当然，上面的描述中，对应的电压加载情况对应的是进行数据查找操作对应位置的源极选择线SSL和漏极选择线DSL，这里由于仅示意了特定位置下相邻两个位线BL和BL’的情况，因此无需用角标对漏极选择线进行区分。
另外，需要说明的是，供查找数据可以包括1bit或者是2bit及更多字节的数据库，根据需要存储在特定位置处的闪存单元中即可。当然，该供查找数据不是一成不变的，可以按照实际需要对数据库进行更新，即通过编程和擦写操作对已有数据进行更改、删除或者新增数据等。
至此，已经结合图1、图3和图4详细描述了本实施例中TCAM如何基于3D NAND闪存存储阵列实现数据查找功能，下面以一具体实施例来介绍如何利用本公开的TCAM来进行数据查找/搜索。本实施例中，以进行2bit数据的查找作为示例。
图5为根据本公开一实施例所示的三态内容可寻址存储器进行2bit数据查找操作的示意图。图6为如图5所示的三态内容可寻址存储器进行2bit数据查找操作中的输出结果。
参照图5所示，在一实施例中，在3D NAND闪存存储阵列中预先存储好供查找的数据，存储的数据位宽为2位/比特(2bit)，例如图5中示例的对应于源线SL0(或者以漏极选择线DSL0定位也可以)，同时在字线WL0上存储的2位数据为“11”，在字线WL1上存储的2位数据为“10”，在字线WLm-1上存储的2位数据为“X1”，在字线WLm上存储的2位数据为“XX”。对应于源线SL1(或者以漏极选择线DSL1定位也可以)，同时在字线WL0上存储的2位数据为“00”，在字线WL1上存储的2位数据为“01”，在字线WLm-1上存储的2位数据为“X0”，在字线WLm上存储的2位数据为“1X”。
进行数据查找/搜索时，将待搜索数据转换为相应的电压施加在两组BL双位线对上，两组BL双位线对分别为：位线BL0，位线BL0’，位线BL1以及位线BL1’。按照前述参照图4的描述可知，2bit数据“10”与电压的转换关系为：BL0——GND，BL0’——Vdrive，BL1——Vdrive，BL1’——GND，那么可以从WL0开始，在选中的字线WL0上施加读电压，其余字线施加通过电压，从下往上依次搜索，搜索结果可以参照图6所示，选中字线WL0时，在源线SL0和SL1分别输出的电流均为高电流，说明待搜索数据与供查找数据的匹配结果不匹配。对应当搜索到WL1时，在源线SL0输出电流为低电流，则说明待搜索数据与供查找数据的匹配结果匹配，此时可以确定位于该字线WL1上且连接到源线SL0输出的4个闪存单元存储的数据即为“10”，搜索结束。
综上所述，本实施例提供了一种三态内容可寻址存储器，通过将3D NAND闪存(FLASH)存储阵列用作TCAM，无需改变3D NAND闪存存储阵列的结构，通过在特定闪存单元中预先存储供查找(查找/搜索)的数据，例如可以通过编程或擦除的操作在3D NAND闪存存储阵列中写入供查找的数据，写入的供查找数据作为用于后续搜索的数据库；然后将由待搜索数据转换成的电压施加于3D NAND闪存存储阵列的位线上，并使得选择晶体管导通；在读取时，可以根据源线上输出电流判断待搜索数据与供查找数据是否匹配，最终实现数据查找/搜索功能，基于3D NAND FLASH存储阵列的TCAM能够明显降低静态能耗，有效减小电路面积，对于未来TCAM系统的设计和应用具有重要意义。
第二实施例
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种三态内容可寻址存储器的操作方法，本实施例中，三态内容可寻址存储器包括3D NAND闪存存储阵列，该3D NAND闪存存储阵列包括多个闪存单元。
图7为根据本公开另一实施例所示的三态内容可寻址存储器的操作方法流程图。
参照图7所示，本实施例的三态内容可寻址存储器的操作方法，包括步骤S21，S22和S23。
在步骤S21，将供查找的数据预先存储于3D NAND闪存存储阵列的特定闪存单元中。
本步骤S21中，分别经位线、漏极选择线、字线、源极选择线和源线向3D NANDFLASH存储阵列共同施加电压，将供查找的数据预先写入到3D NAND FLASH阵列中。
在本公开的一实施例中，所述将供查找的数据预先存储于所述3D NAND闪存存储阵列的特定闪存单元中，包括：采用处于同一条字线且位于相邻两条位线上的两个闪存单元表示1位(1bit)数据，特定闪存单元中包括至少一组所述处于同一条字线且位于相邻两条位线上的两个闪存单元，所述两个闪存单元分别为第一闪存单元和第二闪存单元。其中，当存储数据为“1”时，第一闪存单元的阈值电压被调整为低电压，第二闪存单元的阈值电压被调整为高电压。当存储数据为“0”时，第一闪存单元的阈值电压被调整为高电压，第二闪存单元的阈值电压被调整为低电压。当存储数据为“X”时，第一闪存单元和第二闪存单元的阈值电压均被调整为高电压。
在步骤S22，在数据查找操作下，将由待搜索数据转换成的电压施加于3D NAND闪存存储阵列的位线上，同时在3D NAND闪存存储阵列的漏极选择线和源极选择线上均施加高电压，使得选择晶体管处于导通状态。
在本公开的一实施例中，由待搜索数据转换成电压的方式可以按照以下方法实施。当待搜索数据为“1”时，相邻两条位线分别为第一位线和第二位线，在第一位线施加的电压为0，在第二位线施加的电压为漏极驱动电压，该漏极驱动电压的大小可以等于3DNAND闪存存储阵列作为存储器工作时对应的漏极驱动电压。当待搜索数据为“0”时，在第一位线施加的电压为漏极驱动电压(或者也称为位线驱动电压)，该漏极驱动电压的大小可以等于3D NAND闪存存储阵列作为存储器工作时对应的漏极驱动电压，在第二位线施加的电压为0。当待搜索数据为“X”时，在第一位线和第二位线施加的电压均为0。
在步骤S23，在数据查找操作下，选中某个字线施加读电压，其余字线均施加通过电压；闪存单元的输出电流经源线汇总输出，根据源线上的输出电流判断待搜索数据与供查找数据的匹配结果。
在本公开的一实施例中，所述根据源线上的输出电流判断待搜索数据与供查找数据的匹配结果，包括：当源线上的输出电流为低电流时，则判断待搜索数据与供查找数据相匹配；当源线上的输出电流为高电流时，则判断待搜索数据与供查找数据不匹配；且电流值相对越高，判断待搜索数据与供查找数据的不匹配程度越大。
在本公开的一实施例中，上述操作方法还包括步骤S24。在步骤S24，响应于判断待搜索数据与供查找数据的匹配结果为不匹配，选择与上一次选择不同的字线施加读电压，其余字线均施加通过电压，以此类推，直至判断待搜索数据与供查找数据的匹配结果为匹配。
在本实施例中，对选中字线施加的读电压和其余未选中字线施加的通过电压可以与3D NAND FLASH作为存储器工作时的读电压、通过电压的数值相同。
至此，本实施例中三态内容可寻址存储器的操作方法已经介绍完毕。
综上所述，本公开提供了一种三态内容可寻址存储器及其操作方法，将3D NAND闪存(FLASH)存储阵列用作TCAM，无需改变3D NAND闪存存储阵列的结构，通过在特定闪存单元中预先存储供查找(查找/搜索)的数据，例如可以通过编程或擦除的操作在3D NAND闪存存储阵列中写入供查找的数据，写入的供查找数据作为用于后续搜索的数据库；然后将由待搜索数据转换成的电压施加于3D NAND闪存存储阵列的位线上，并使得选择晶体管导通；在读取时，可以根据源线上输出电流判断待搜索数据与供查找数据是否匹配，最终实现数据查找/搜索功能，基于3D NAND FLASH存储阵列的TCAM能够明显降低静态能耗，有效减小电路面积，对于未来TCAM系统的设计和应用具有重要意义。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来描述方便。“包括”或者“包含”等类似的词语表示开放的意义，除了明确列举的元件、部件、部分或项目外，并不排除其他元件、部件、部分或者项目。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种三态内容可寻址存储器，其特征在于，所述三态内容可寻址存储器包括3D NAND闪存存储阵列，该3D NAND闪存存储阵列包括多个闪存单元；
其中，所述3D NAND闪存存储阵列中，在特定闪存单元中预先存储有供查找的数据，所述3D NAND闪存存储阵列的位线用于在数据查找操作下被施加由待搜索数据转换成的电压，所述3D NAND闪存存储阵列的漏极选择线和源极选择线用于在数据查找操作下被施加高电压，以使得选择晶体管处于导通状态；所述3D NAND闪存存储阵列的字线中某个字线被选中用于在数据查找操作下被施加读电压，其余字线用于在数据查找操作下被施加通过电压；闪存单元的输出电流经源线汇总输出，该源线上的输出电流用于指示待搜索数据与供查找数据的匹配结果；
其中，所述特定闪存单元包括处于同一条字线且位于相邻两条位线上的第一闪存单元和第二闪存单元，所述第一闪存单元和第二闪存单元用于共同表示1位/比特(1bit)数据。
2.根据权利要求1所述的三态内容可寻址存储器，其特征在于，
所述第一闪存单元的阈值电压为低电压，且所述第二闪存单元的阈值电压为高电压对应的存储状态为：存储有数据“1”；
所述第一闪存单元的阈值电压为高电压，且所述第二闪存单元的阈值电压为低电压对应的存储状态为：存储有数据“0”；
所述第一闪存单元和所述第二闪存单元的阈值电压均为高电压对应的存储状态为：存储有数据“X”。
3.根据权利要求1所述的三态内容可寻址存储器，其特征在于，所述3D NAND闪存存储阵列的位线用于在数据查找操作下被施加由待搜索数据转换成的电压，包括：
当待搜索数据为“1”时，相邻两条位线分别为第一位线和第二位线，第一位线施加的电压为0，第二位线施加的电压为漏极驱动电压；
当待搜索数据为“0”时，第一位线施加的电压为漏极驱动电压；第二位线施加的电压为0；
当待搜索数据为“X”时，第一位线和第二位线施加的电压均为0；
可选的，所述漏极驱动电压的大小等于3D NAND闪存存储阵列作为存储器工作时对应的漏极驱动电压。
4.根据权利要求1所述的三态内容可寻址存储器，其特征在于，所述源线上的输出电流用于指示待搜索数据与供查找数据的匹配结果包括：
源线上输出电流为低电流时，指示待搜索数据与供查找数据相匹配；
源线上输出电流为高电流时，指示待搜索数据与供查找数据不匹配；且电流值相对越高，指示待搜索数据与供查找数据的不匹配程度越大。
5.一种三态内容可寻址存储器的操作方法，其特征在于，所述三态内容可寻址存储器包括3D NAND闪存存储阵列，该3D NAND闪存存储阵列包括多个闪存单元，该操作方法包括：
将供查找的数据预先存储于所述3D NAND闪存存储阵列的特定闪存单元中；
在数据查找操作下，将由待搜索数据转换成的电压施加于所述3D NAND闪存存储阵列的位线上，同时在所述3D NAND闪存存储阵列的漏极选择线和源极选择线上均施加高电压，使得选择晶体管处于导通状态；以及
在数据查找操作下，选中某个字线施加读电压，其余字线均施加通过电压；闪存单元的输出电流经源线汇总输出，根据源线上的输出电流判断待搜索数据与供查找数据的匹配结果；
其中，采用处于同一条字线且位于相邻两条位线上的两个闪存单元表示1位/比特(1bit)数据，特定闪存单元中包括至少一组所述处于同一条字线且位于相邻两条位线上的两个闪存单元，所述两个闪存单元分别为第一闪存单元和第二闪存单元。
6.根据权利要求5所述的操作方法，其特征在于，还包括：
响应于判断待搜索数据与供查找数据的匹配结果为不匹配，选择与上一次选择不同的字线施加读电压，其余字线均施加通过电压，以此类推，直至判断待搜索数据与供查找数据的匹配结果为匹配。
7.根据权利要求5所述的操作方法，其特征在于，所述将供查找的数据预先存储于所述3D NAND闪存存储阵列的特定闪存单元中，包括：
其中，当存储数据为“1”时，第一闪存单元的阈值电压被调整为低电压，第二闪存单元的阈值电压被调整为高电压；当存储数据为“0”时，第一闪存单元的阈值电压被调整为高电压，第二闪存单元的阈值电压被调整为低电压；当存储数据为“X”时，第一闪存单元和第二闪存单元的阈值电压均被调整为高电压。
8.根据权利要求5所述的操作方法，其特征在于，所述将由待搜索数据转换成的电压施加于所述3D NAND闪存存储阵列的位线上，包括：
当待搜索数据为“1”时，相邻两条位线分别为第一位线和第二位线，在第一位线施加的电压为0，在第二位线施加的电压为3D NAND闪存存储阵列作为存储器工作时对应的位线驱动电压；
当待搜索数据为“0”时，在第一位线施加的电压为3D NAND闪存存储阵列作为存储器工作时对应的位线驱动电压，在第二位线施加的电压为0；
当待搜索数据为“X”时，在第一位线和第二位线施加的电压均为0。
9.根据权利要求5所述的操作方法，其特征在于，所述根据源线上的输出电流判断待搜索数据与供查找数据的匹配结果，包括：
当源线上的输出电流为低电流时，则判断待搜索数据与供查找数据相匹配；
当源线上的输出电流为高电流时，则判断待搜索数据与供查找数据不匹配；且电流值相对越高，判断待搜索数据与供查找数据的不匹配程度越大。
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