一种嵌入铁电晶体管内容寻址存储器的高能效浮点运算结构

张 力 高 迪 陈 烁 卢旭东 庞展曦陈闯涛 尹勋钊 卓 成*②

①(浙江大学信息与电子工程学院 杭州 310007)

②(浙江大学国际联创中心 海宁 314400)

1 引言

随着大数据时代的到来，计算系统中的数据搬移问题成为热门话题，冯·诺依曼架构下的计算和存储分离，成为制约系统能效的一大瓶颈[1]。将数据从动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory， DRAM)、Flash之类的存储器搬移出来造成的能耗和延迟，与数据在浮点运算单元(Floating Point Unit， FPU)中运算的能耗和延迟相比，要高出3个数量级以上，这就是所谓的“内存墙”问题[2]。考虑到数据密集型应用的日益增多，研究者在不断地寻找各种方法来缓解甚至消除“内存墙”瓶颈。

在这些研究中，三元内容寻址存储器(Ternary Content Addressable Memory， TCAM)受到了很大的关注，它的工作原理是将输入与多个存储单元的内容并行地进行比较，然后返回匹配到的数据地址[2]。TCAM作为一种特殊的内存计算形式，可以预先存储使用较频繁的数据和对应的计算结果，从而减少实际运算执行的次数，达到节约能耗的目的。由于其高并行性和在内存中进行计算的特性，它被认为是数据密集型应用的一种高效解决方案[1，2]。然而，仍然存在两个关键的挑战，阻碍了TCAM在实际应用中的进一步推广[2，3]：(1)如何在普通的FPU中部署TCAM，在不产生额外成本的条件下，充分地利用TCAM的优势？(2)如何解决传统的基于互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor， CMOS)静态随机存储器(Static Random-Access Memory， SRAM)的TCAM不菲的能量和面积消耗？

为了解决CMOS SRAM的高消耗问题，研究者提出了使用新型的非易失性存储器，如可变电阻型随机存储器(Resistive Random Access Memory，ReRAM)[3]，来实现TCAM的方案。……