TWI789103B - 記憶體裝置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種記憶體裝置及其操作方法。操作方法包括：編程用以代表一有限狀態機的複數個字串對的複數個第一字串至一記憶體裝置的一記憶體內搜尋陣列；編程該些字串對的複數個第二字串至該記憶體裝置的一工作記憶體的複數個記憶體位址；以及編程用以代表該有限狀態機的一初始狀態的一字串至該記憶體裝置的一緩衝器。

Description

記憶體裝置及其操作方法

本發明是有關於一種記憶體裝置，特別是用以實現有限狀態機的記憶體裝置。

有限狀態機(finite state machine)是一種可用以模擬時序邏輯電路(sequential logic circuit)及計算機程式的計算模型。有限狀態機可通過軟體或硬體來實現。

有限狀態機可產生正則語言(regular language)。正則表達式匹配(regular expression matching)通常與有限狀態機一起被實現，並且可應用在建立數學、人工智能及語言學等的模型上。

以硬體實現正則表達式匹配與有限狀態機時，不僅要考量運算效率，也要考量空間效率。有鑑於此，兼具運算效率及空間效率的硬體實現方式是一個重要的研究課題。

本發明實施例係揭露一種記憶體裝置。記憶體裝置包括一第一驅動電路、一第二驅動電路、一記憶體內搜尋陣列、一感測電路、一工作記憶體以及一緩衝器。記憶體內搜尋陣列耦 接至字元線驅動電路，記憶體內搜尋陣列包括複數個記憶胞。該些記憶胞通過複數條第一信號線耦接至該第一驅動電路，並且通過複數條第三信號線耦接至該第二驅動電路。該些記憶胞用以儲存根據一有限狀態機產生的複數個字串對的複數個第一字串。感測電路耦接至記憶體內搜尋陣列。感測電路包括複數個感測單元。該些感測放大器通過複數條第二信號線耦接至該些記憶胞。工作記憶體耦接至感測電路。工作記憶體具有複數個記憶體位址。該些記憶體位址一對一對應於該些感測單元，且用以儲存該些字串對的複數個第二字串。緩衝器耦接至工作記憶體及字元線驅動電路。緩衝器用以於有限狀態機初始化時儲存代表有限狀態機的一初始狀態的一字串。

本發明另一實施例係揭露一種記憶體裝置的操作方法，包括：編程用以代表一有限狀態機的複數個字串對的複數個第一字串至一記憶體裝置的一記憶體內搜尋陣列；編程該些字串對的複數個第二字串至該記憶體裝置的一工作記憶體的複數個記憶體位址；以及編程用以代表該有限狀態機的一初始狀態的一字串至該記憶體裝置的一緩衝器。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：

10a、10b:記憶體裝置

102:字元線驅動電路

103:位元線驅動電路

104a、104b:記憶體內搜尋陣列

105:感測電路

106:工作記憶體

107:緩衝器

108:記憶體控制器

C11~Cmn:記憶胞

ML1~MLn:第二信號線

SL1~SLn:第三信號線

SRL1-1、SRL1-2~SRLm-1、SRLm-2:第一信號線

SA1~SAn:感測單元

q1~q4:狀態

a、b:輸入

S301~S305、S401~S407:步驟

第1A圖繪示根據本發明一實施例的記憶體裝置。

第1B圖繪示根據本發明另一實施例的記憶體裝置。

第2圖繪示一有限狀態機的方塊圖。

第3圖繪示根據本發明一實施例的記憶體裝置的操作方法的流程圖。

第4圖繪示根據本發明另一實施例的記憶體裝置的操作方法的流程圖。

第5A~5C圖繪示根據本發明一實施例的基於記憶體的有限狀態機的操作示意圖。

請參照第1A圖，第1A圖繪示根據本發明一實施例的記憶體裝置。記憶體裝置10a包括一第一驅動電路102、一第二驅動電路103、一記憶體內搜尋陣列104a、一感測電路105、一工作記憶體106、一緩衝器107及一記憶體控制器108。

記憶體內搜尋陣列104a包括多個記憶胞C11~Cmn、多組第一信號線SRL1-1、SRL1-2~SRLm-1、SRLm-2、多條第二信號線ML1~MLn及多條第三線信號SL1~SLn。每一記憶胞Cij通過對應的第一信號線組SRLi-1、SRLi-2耦接至第一驅動電路102，其中i為不小於1且不大於m的整數。多個記憶胞C1j~Cmj形成一記憶胞串。每一記憶胞串通過對應的第二信號線MLj耦接感測電路105，並通過對應的第三信號線SLj耦接第二驅動電路103，其中j為 不小於1且不大於n的整數。在本實施例中，記憶體內搜尋陣列104a為NOR型非揮發性記憶體。各記憶胞Cij可包括二個電晶體，其中二個電晶體的閘極分別耦接至第一信號線SRLi-1、SRLi-2。此種架構稱之為三態內容可定址記憶體(ternary content addressable memory)。電晶體可為金屬場效應電晶體、鐵電晶體或任何適用的電晶體。透過編程每個記憶胞的二個電晶體的閾值電壓的組合，記憶胞C11~Cmn可被編程用以儲存0及1，或更進一步的可用以儲存0、1及[隨意](don’t care)，其中所謂[隨意]是在搜尋時無論所要搜尋的是0或1皆可被匹配。為了說明的簡潔，「編程特定第二/三信號線上的記憶胞」會被簡化描述為「編程特定第二/三信號線」，「特定第二/三信號線上的記憶胞中儲存的資料串」會被簡化描述為「特定第二/三信號線儲存的資料串」。

感測電路105可包括多個感測單元SA1~SAn。在本實施例中，感測單元SA1~SAn一對一耦接至第二信號線ML1~MLn。感測單元用以根據耦接的該條第二信號線流出的電流的大小輸出一訊號，其中感測單元輸出的訊號代表該感測單元所耦接的該條第二信號線的資料串是否與所要搜尋的資料串匹配。在一實施例中，當感測單元所耦接的該條第二信號線流出的電流大於預設閥值，則可判斷該條第三信號線的資料串與所要搜尋的資料串相匹配。

工作記憶體106耦接至感測電路105。工作記憶體106可為揮發性記憶體或非揮發性記憶體。工作記憶體106包括多個記憶體位址。在一實施例中，該些記憶體位址可一對一對應至感測電路的該些感測單元。緩衝器107耦接至工作記憶體106及第一驅動電路102。

記憶體控制器108耦接至字第一驅動電路102、第二驅動電路103、感測電路105、工作記憶體106以及緩衝器107，並通過訊號控制第一驅動電路102、第二驅動電路103、感測電路105、工作記憶體106以及緩衝器107的行為。

請參照第1B圖，第1B圖繪示根據本發明另一實施例的記憶體裝置。記憶體裝置10b與記憶體裝置10a的架構類似，差別在於使用的記憶體內搜尋陣列104b不同於記憶體內搜尋陣列104a。在本實施例中，記憶體內搜尋陣列104b為NAND型非揮發性記憶體，每一記憶胞包括串接的二個電晶體，且多個記憶胞串接在第二信號線與第三信號線之間形成記憶胞串用以儲存資料串。

為了說明記憶體裝置10a、10b如何實現有限狀態機，以下將以一實際的有限狀態機做為例子。

請參照第2圖，第2圖繪示一有限狀態機的方塊圖。有限狀態機2包括四個狀態q1~q4，其中q1為初始狀態，且q1為終止狀態(或稱接受狀態)，a、b為輸入。根據有 限狀態機2的正則表示(regular expression)，有限狀態機2的多個狀態轉換關係如表一所示。表一中顯示了有限狀態機2的八個狀態轉換關係，包括：若當前狀態為q1，輸入為a則下一狀態為q2，當前輸入為b則下一狀態為q3；若當前狀態為q2，當前輸入為a則下一狀態為q4，當前輸入為b則下一狀態為q1；若當前狀態為q3，當前輸入為a則下一狀態為q1，當前輸入為b則下一狀態為q4；若當前狀態為q4，當前輸入為a則下一狀態為q4，當前輸入為b則下一狀態為q4。需要注意的是，由於有限狀態機如何轉換為正則表示為本領域具有通常知識者所熟知，故於此不贅述。

接著，將有限狀態機2的狀態q1~q4及可允許的輸入a、b進行編碼。在一實施例中，q1被編碼為00，q2被編碼為01，q3被編碼為10，q4被編碼為11，a被編碼為0001，b被編碼為0010。經過編碼後，表一可轉換為表二。

根據編碼後的狀態、編碼後的可允許的輸入以及狀態轉換關係，多個字串對可被產生，其中字串對一對一對應至狀態轉換關係，且每一字串對包括一第一字串與一第二字串。第一字串包括編碼後的當前狀態與編碼後的當前輸入。第二字串包括編碼後的下一狀態。舉例來說，狀態轉換關係「當前狀態為q1(00)輸入為a(0001)則下一狀態為q2(01)」對應到的字串對為[000001，01]，狀態轉換關係「當前狀態為q1(00)輸入為b(0010)則下一狀態為q3 (10)」對應到的字串對為[000010，10]，其餘以此類推。也就是說，在每一字串對中，第一字串中，一第一部分碼字代表的是當前狀態，一第二部分碼字代表的是當前輸入，而第二字串代表的是當前狀態與當前輸入對應的下一狀態。表三顯示了有限狀態機2的字串對之一例。

請參照第3圖，第3圖繪示根據本發明一實施例的記憶體裝置的操作方法的流程圖。在完成編碼並取得字串對後，便可藉由第3圖所示的操作方法在記憶體裝置10a(或記憶體裝置10b)上建立有限狀態機。

步驟S301中，根據字串對中的第一字串編程記憶體內搜尋陣列104a/104b。以記憶體裝置10a的架構為例，假設m為6，且n為8，記憶體控制器108命令第一驅動電 路102及第二驅動電路103施加適當的編程偏壓(取決於實際的硬體規格)將第一字串一對一編程至不同的第三信號線。舉例來說，對應於「當前狀態q1，當前輸入a，則下一狀態為q2」的字串對的第一字串000001，可被編程至第三信號線SL1上的記憶胞C11~C61，對應於「當前狀態q1，當前輸入b，則下一狀態為q3」的字串對的第一字串000010，可被編程至第三信號線SL2上的記憶胞C12~C62，以此類推。

步驟S303中，根據字串對中的第二字串編程工作記憶體106。以記憶體裝置10a為例，對應於「當前狀態q1，當前輸入a，則下一狀態為q2」的字串對的第二字串01，可被編程至對應於第二信號線ML1(感測單元SA1)的記憶體位址，對應於「當前狀態q1，輸入b，則下一狀態為q3」的字串對的第二字串10，可被編程至對應於第三信號線ML2(感測單元SA2)的記憶體位址，以此類推。

步驟S305中，將對應於有限狀態機的初始狀態的字串儲存至緩衝器。步驟S305是用以初始化藉由步驟S301及S305建立的有限狀態機。

請參照第4圖，第4圖繪示根據本發明另一實施例的記憶體裝置的操作方法的流程圖。第4圖的流程可接續在第3圖的流程之後。藉由第4圖的流程，可實現有限狀態機的具體運作。

步驟S401中，記憶體控制器接收一輸入字串。輸入字串係為要輸入至有限狀態機的一輸入進行編碼後得到。如前文的例子，當輸入為a則輸入字串為0001，當輸入為b則輸入字串為0010。

步驟S403中，記憶體控制器基於一時脈訊號並根據輸入字串命令第一驅動電路102施加多個第一搜尋電壓至記憶體內搜尋陣列104a/104b。舉例來說，假設輸入為a，在時脈訊號的一第一時脈週期，記憶體控制器108根據代表a的字串0001命令第一驅動電路102施加對應於0的第一搜尋電壓至第一信號線組SRL3-1、SRL3-2，施加對應於0的第一搜尋電壓至第一信號線組SRL4-1、SRL4-2，施加對應於0的第一搜尋電壓至第一信號線組SRL5-1、SRL5-2，施加對應於1的第一搜尋電壓至第一信號線組SRL6-1、SRL6-2。

步驟S405中，第一驅動電路102基於時脈訊號並根據緩衝器107儲存的字串施加多個第二搜尋電壓至記憶體內搜尋陣列104a/104b。接續前面的例子，在第一時脈週期，緩衝器107儲存的是代表初始狀態q1的00，於是第一驅動電路102施加對應於0的第二搜尋電壓至第一信號線組SRL1-1、SRL1-2，以及施加對應於0的第二搜尋電壓至第一信號線組SRL2-1、SRL2-2。

步驟S407中，感測電路105藉由偵測記憶體內搜尋陣列104a/104b流出的多個電流得到一偵測結果，並根據偵測結果觸發工作記憶體106輸出儲存於對應於偵測結果的記憶體位址的第二字串至緩衝器107。在一實施例中，偵測結果指出感測電路105的哪一個感測單元偵測到的電流大於預設閥值。藉由偵測結果可以判斷出哪一條第三信號線上的資料串被匹配到。接續上述例子，第一驅動電路102施加在第一信號線SRL1~SRL6的搜尋電壓代表所要搜尋的資料串為000001。第三信號線SL1的資料串與000001匹配，於是大於預設閥值的電流可通過記憶胞C11~C16而被感測單元SA1偵測到。第三信號線SL2~SL8的資料串與000001不匹配，於是沒有大於預設閥值的電流可被感測單元SA2~SA8偵測到。根據這樣的偵測結果，感測電路105會輸出一訊號致使工作記憶體106將對應於感測單元SA1的記憶體位址所儲存的第二字串01輸出至緩衝器107。原本儲存於緩衝器107的字串00會被工作記憶體106輸出的字串01所覆蓋。此步驟相當於將當前狀態由q1轉換為q2。

實際應用上，輸入至有限狀態機的會是一序列的輸入。也就是，多個輸入以特定順序輸入至有限狀態機。針對這樣的輸入序列，步驟S401~S407會重複地被執行。接下來將搭配第5A~5C圖以一個實際例子說明。在第5A~5C圖中，欄位「第一字串」代表的是多條不同的第二信 號線(例如ML1~ML8)上儲存的第一字串，欄位「第二字串」代表的是工作記憶體106中對應到該多條第二信號線的記憶體位址所儲存的第二字串，當前狀態代表緩衝器107中當前所儲存的資料串，當前輸入代表輸入序列中當前要被執行運算的輸入。假設一序列的輸入依序為a、a、b、a、b。對應序列的輸入字串依序為0001、0001、0010、0001、0010。參考第5A圖的左側部分，在時脈訊號的一第一時脈週期，緩衝器107儲存的是初始狀態00(q1)，第一驅動電路102施加對應於000001(當前狀態00與當前輸入0001組合，以下以此類推)的搜尋電壓至第一信號線組SRL1-1、SRL1-2~SRL6-1、SRL6-2，感測電路105偵測到從第二信號線ML1(000001匹配)流出的電流大於預設閥值而令工作記憶體106將對應於第三信號線SL1的記憶體位址所儲存的第二字串01(q2)輸出至緩衝器107以覆蓋過00(q1)。參考第5A圖的右側部分，在時脈訊號的一第二時脈週期，緩衝器107儲存的是當前狀態為01(q2)，第一驅動電路102施加對應於010001(01與0001的組合)的搜尋電壓至第一信號線組SRL1-1、SRL1-2~SRL6-1、SRL6-2，感測電路105偵測到從第二信號線ML3(010001匹配)流出的電流大於預設閥值而令工作記憶體106將對應於第三信號線SL3的記憶體位址所儲存的第二字串11(q4)輸出至緩衝器107以覆蓋過01(q2)。請參照第5B圖的左側部分，在時脈訊號的一第三時脈 週期，緩衝器107儲存的是當前狀態11(q4)，第一驅動電路102施加對應於110010(11與0010的組合)的搜尋電壓至第一信號線組SRL1-1、SRL1-2~SRL6-1、SRL6-2，感測電路105偵測到從第二信號線ML8(110010匹配)流出的電流大於預設閥值而令工作記憶體106將對應於第三信號線SL8的記憶體位址所儲存的第二字串11(q4)輸出至緩衝器107以覆蓋過11(q4)。請參照第5B圖的右側部分，在時脈訊號的一第四時脈週期，緩衝器107儲存的是當前狀態為11(q2)，第一驅動電路102施加對應於110001(11與0001的組合)的搜尋電壓至第一信號線組SRL1-1、SRL1-2~SRL6-1、SRL6-2，感測電路105偵測到從第二信號線ML7(110001匹配)流出的電流大於預設閥值而令工作記憶體106將對應於第三信號線SL7的記憶體位址所儲存的第二字串11(q4)輸出至緩衝器107以覆蓋過11(q4)。請參照第5C圖，在時脈訊號的一第五時脈週期，緩衝器107儲存的是當前狀態11(q4)，第一驅動電路102施加對應於110010(11與0010的組合)的搜尋電壓至第一信號線組SRL1-1、SRL1-2~SRL6-1、SRL6-2，感測電路105偵測到從第二信號線ML8(110010匹配)流出的電流大於預設閥值而令工作記憶體106將對應於第三信號線SL8的記憶體位址所儲存的第二字串11(q4)輸出至緩衝器107以覆蓋過11(q4)。

對於輸入序列的每個輸入都執行過步驟S401~S407之後，可根據緩衝器107中儲存的字串來判斷輸入序列是否為有限狀態機所接受(accept)。當最終儲存在緩衝器107的字串代表的狀態相同於終止狀態，則可判斷輸入序列為有限狀態機所接受。例如，緩衝器107最終儲存的是代表q4的字串11，而非代表終止狀態q1的字串為00。於是，可判斷輸入序列a、a、b、a、b是不被有限狀態機2所接受，如第5C圖右下角所示。上述判斷可由記憶體控制器108執行，或者是由專用的電路(未繪示)執行。

需要注意的是，在上述流程中，第二驅動電路103會受控於記憶體控制器108於正確的時間輸出適當的偏壓以使得記憶體內搜尋的操作能夠順利進行。「正確的時間」與「適當的偏壓」取決於記憶體裝置的實際規格。

為了提升記憶體內搜尋陣列的空間效益，可針對字串對進行整合。整合時，將具有相同第二字串的字串對的至少其中之二之間第一字串的差異字元以[隨意]取代。例如表三經過整合可如表四所示。

表四中，X代表[隨意]。為了能夠編程例如表四所示的字串對的第一字串，記憶體內搜尋陣列需要具備記憶胞支援[隨意]的編程。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10a:記憶體裝置

102:字元線驅動電路

103:位元線驅動電路

104a:記憶體內搜尋陣列

105:感測電路

106:工作記憶體

107:緩衝器

108:記憶體控制器

C11~Cmn:記憶胞

ML1~MLn:第二信號線

SL1~SLn:第三信號線

SRL1-1、SRL1-2~SRLm-1、SRLm-2:第一信號線

SA1~SAn:感測單元

Claims (10)

1. 一種記憶體裝置，包括：一第一驅動電路；一第二驅動電路；一記憶體內搜尋陣列，包括複數個記憶胞，該些記憶胞通過複數條第一信號線耦接至該第一驅動電路，並通過複數條第三信號線耦接至該第二驅動電路，該些記憶胞用以儲存根據一有限狀態機產生的複數個字串對的複數個第一字串；一感測電路，該感測電路包括複數個感測單元，該些感測單元通過複數條第二信號線耦接至該些記憶胞；一工作記憶體，耦接至該感測電路，該工作記憶體具有複數個記憶體位址，該些記憶體位址一對一對應於該些感測單元，且用以儲存該些字串對的複數個第二字串；以及一緩衝器，耦接至該工作記憶體及該第一驅動電路，該緩衝器用以於該有限狀態機初始化時儲存代表該有限狀態機的一初始狀態的一字串。
2. 如請求項1所述之記憶體裝置，其中各該第一字串包括一第一部分碼字及一第二部分碼字，該第一部分碼字係用以代表一當前狀態，該第二部分碼字係用以代表一當前輸入。
3. 如請求項1所述之記憶體裝置，其中各該第二字串用以代表該有限狀態機的對應於一當前狀態與一當前輸入的一下一狀態。
4. 如請求項1所述之記憶體裝置，其中該感測電路用以根據藉由該些感測單元取得的一偵測結果致使該工作記憶體輸出對應於偵測到的電流大於一預設閥值的該感測單元的該記憶體位址所儲存的該第二字串至該緩衝器。
5. 如請求項1所述之記憶體裝置，其中該第一驅動電路用以基於一時脈訊號施加代表該有限狀態機的一輸入的複數個第一搜尋電壓及施加根據該緩衝器儲存的該字串的複數個第二搜尋電壓至該些第一信號線。
6. 一種記憶體裝置的操作方法，包括：編程用以代表一有限狀態機的複數個字串對的複數個第一字串至一記憶體裝置的一記憶體內搜尋陣列；編程該些字串對的複數個第二字串至該記憶體裝置的一工作記憶體的一對一對應於耦接至該記憶體內搜尋陣列的複數個感測單元的複數個記憶體位址；以及編程用以代表該有限狀態機的一初始狀態的一字串至該記憶體裝置的一緩衝器。
7. 如請求項6所述之操作方法，其中各該第一字串包括一第一部分碼字及一第二部分碼字，該第一部分碼字係用以代表一當前狀態，該第二部分碼字係用以代表一當前輸入。
8. 如請求項6所述之操作方法，其中各該第二字串用以代表該有限狀態機的對應於一當前狀態與一當前輸入的一下一狀態。
9. 如請求項6所述之操作方法，更包括：藉由該記憶體裝置的一第一驅動電路基於一時脈訊號施加代表該有限狀態機的一輸入的複數個第一搜尋電壓及施加根據該緩衝器儲存的該字串的複數個第二搜尋電壓至該記憶體內搜尋陣列。
10. 如請求項9所述之操作方法，更包括：藉由該記憶體裝置的一感測電路根據藉由該感測電路的複數個感測單元偵測該記憶體內搜尋陣列取得的一偵測結果致使該工作記憶體輸出對應於偵測到的電流大於一預設閥值的該感測單元的該記憶體位址所儲存的該第二字串至該緩衝器。

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