LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 04 năm 2018 Đàm Trọng Luân viii LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, Tôi đã nỗ lực phấn đấu hoàn thành nội dung chi tiết và yêu cầu ban đầu đặt ra. Tuy nhiên, thành quả đạt đƣợc không chỉ là kết quả sự cố gắng riêng tôi mà còn là sự truyền đạt, đóng góp ý kiến, hƣớng dẫn hỗ trợ tận tình của Thầy, Cô trong bộ môn Điện Tử, Khoa Điện-Điện Tử và thái độ nhiệt tình các bạn trong lớp trong công việc đánh giá kết quả thực tiễn đề tài của tôi.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy Võ Minh Huân, ngƣời đã có sự định hƣớng, hƣớng dẫn trình bày đề tài, lời cảm ơn chân thành đến các bạn trong lớp, các Thầy Cô trong bộ môn Điện Tử và các Thầy Cô Khoa Điện-Điện Tử. Hồ Chí Minh tháng 04 năm 2018 Đàm Trọng Luân ix TÓM TẮT Trong đề tài này tôi thực hiện thiết kế và mô phỏng bộ nhớ CAM công suất thấp. Bộ nhớ địa chỉ nội dung (CAM) sẽ so sánh dữ liệu lƣu trữ với dữ liệu tìm kiếm rồi trả về địa chỉ phù hợp. CAM đƣợc sử dụng nhiều trong chuyển tiếp gói tin và phân loại gói tin trong các Router Internet.
Đề tài thiết kết một bộ nhớ CAM thông thƣờng và một bộ nhớ CAM kết hợp với nguồn tiết kiệm năng lƣợng. Bộ nhớ CAM kết hợp sẽ giúp tiết kiệm điện năng mà không giảm tốc độ và tỉ trọng bộ nhớ so với CAM thông thƣờng. Sau đó, tôi sẽ tiến hành đo các thông số tiêu hao năng lƣợng của hai thiết kế và tiến hành so sánh kết quả. In this topic, I am designing and simulating low power CAM memory.
The content address (CAM) memory will compare the stored data with the search data and return the appropriate address. CAM is used extensively in packet forwarding and packet sorting in Internet routers. The subject designates a conventional CAM memory and a CAM memory combined with an energy saving source. Integrated CAM memory saves power without sacrificing speed and memory compared to conventional CAM.
Then I will measure the energy consumption of the two designs and and compare the results. x MỤC LỤC Trang tựa Trang XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LÝ LỊCH KHOA HỌC. vii LỜI CAM ĐOAN. viii LỜI CẢM ƠN.
xi DANH MỤC CÁC HÌNH. xiv Chƣơng 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI. Tình hình nghiên cứu đề tài. Nhiệm vụ nghiên cứu.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. Phƣơng pháp nghiên cứu. Bố cục đề tài.3 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN. Công nghệ Low Power .2 Tại sao phải sử dụng low power .3 Các công nghệ Low power .4 Tổng hợp các kỹ thuật thiết kế Low power.
Công nghệ Power-gating .3 Các phƣơng pháp Power gating. Công nghệ 45 nm. Tìm hiểu về CAM. CAM sử dụng Parity bit.24 Chƣơng 3: THIẾT KẾ BỘ NHỚ CAM CÔNG SUẤT THẤP.1 Thiết kế bộ nhớ CAM thông thƣờng.2 Thiết kế bộ nhớ CAM đề xuất.1 Bộ nguồn tiết kiệm năng lƣợng “Power Control”.2 Thiết kế bộ nhớ CAM Parity Bit .3 Thiết kế bộ nhớ 7 CAM Cell với CAM Parity bit kết nối với nhau.3 Các công thức tính toán của bộ nhớ CAM .1 Công thức tính thời gian Matchline Delay .2 Công thức tính công suất tiêu thụ .30 Chƣơng 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.
Mô phỏng một CAM thông thƣờng.1 Mô phỏng một CAM thông thƣờng trong trƣờng hợp đồng bộ dữ liệu.2 Mô phỏng một CAM thông thƣờng trong trƣờng hợp đồng bộ dữ liệu. Mô phỏng bộ nhớ CAM đề xuất.3 Mô phỏng chuỗi 8 CAM Cell dùng Parity Bit. So sánh kết quả tính toán mô phỏng giữa CAM Normal và CAM Proposed. Đo dòng Matchline của CAM Normal và CAM Proposed.
Đo dòng rò của CAM Normal và CAM Proposed.3 Thời gian Delay của hai CAM Normal và CAM Proposed .4 Phân tích ảnh hƣởng của điện áp cung cấp tới dòng rò .43 Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .2 Hƣớng phát triển .45 xii DANH MỤC BẢNG Bảng Trang Bảng 1: Bảng dữ liệu mô phỏng .36 xiii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình Trang Hình 2. 1: Quá trình phát triển của công nghệ Low power. 2: Static Voltage Scaling[5]. 3: Dynamic Voltage and Frequency Scaling[5].
4: Adaptive Voltage Scaling[5]. 5: Tổng hợp các kỹ thuật thiết kế Low power[5]. 6: Sơ đồ khối của Power gating. 7: Thông số cực cổng của Power gating.
8: Fine-grain power gating[5]. 9: Coarse-grain power gating. 12: Sơ đồ khối cơ bản của một CAM. 13: Sơ đồ đơn giản của một CAM.
14: Mạch Read, Write dữ liệu cho SRAM Cell. 15: Khảo sát mạch Write. 16: Dạng sóng của tín hiệu precharge và Write set – up. 17: Hoạt động ghi bit 1 vào SRAM Cell.
18: Hoạt động ghi và đọc bit 1 của SRAM Cell. 20: Sơ đồ mạch liên kết nhiều CAM cell. 21: Ba giai đoạn đánh giá matchlines. 22: Dữ liệu đƣợc thêm vào Parity bit.
23: Dữ liệu ML trong trƣờng hợp 1-mismatch giữa kiến trúc cơ bản và kiến trúc sử dụng Parity bit. 1: Bộ nhớ CAM thông thƣờng. 2: Bộ nhớ CAM đề xuất. 3: Cổng logic Parity bit.
4: Sơ đồ kết nối 8 CAM cell. 1: Kết quả tín hiệu ML trong trƣờng hợp missmatch. 2: Kết quả tín hiệu ML trong trƣờng hợp match. 3: Kết quả tín hiệu ML trong trƣờng hợp missmatch của CAM đề xuất.
4: Kết quả tín hiệu ML trong trƣờng hợp match của CAM đề xuất. 6: Kết quả matchline trong trƣờng hợp đồng bộ dữ liệu. 7: Kết quả dạng sóng trƣờng hợp 2 mismatches. 8: Kết quả dạng sóng trong trƣờng hợp 6 mismatches.
9: Dòng matchline của CAM Normal và CAM Proposed. 10: Dòng rò của CAM Normal và CAM Proposed. 11: Thời gian Delay của CAM Normal và CAM Proposed. 12: Thời gian Delay của CAM Normal và CAM Proposed ở các trƣờng hợp khác nhau.
13: Dòng dò của CAM Proposed .44 xv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT CAM Content-addressable memory SRAM Static random access memory PC Precharge R Read enable WL word line WE Write enable D, ̅ Data, complement of data BL, ̅̅̅̅ Bit line, complement of bit line ML Matchline xvi Chƣơng 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. Trên thế giới, các công nghệ vi mạch đang đƣợc nghiên cứu và phát triển theo hƣớng càng ngày càng mỏng hơn, tốn ít diện tích hơn, có hiệu suất cao hơn và đặc biệt là tiêu thụ năng lƣợng ít hơn. Vì thế bộ nhớ CAM cũng vậy, các công nghệ 10-nm, 7-nm và nhiều công nghệ nhỏ hơn nữa đang đƣợc nghiên cứu. Các công nghệ đều có những ƣu điểm, khuyết điểm riêng, do đó để thực hiện những yêu cầu đề ra thì các sản phẩm sản xuất sẽ tuân theo những công nghệ tƣơng ứng.
Hầu hết các sản phẩm hiện nay đang ở công nghệ 10-nm và đang dần đƣợc thay thế bởi công nghệ 7-nm. Bộ nhớ CAM hoạt động trong các bộ định tuyến mạng để chuyển tiếp các gói dữ liệu, phân loại gói tin và cũng nhƣ các ứng dụng đòi hỏi việc tra cứu bảng địa chỉ tốc độ cao. Với xu thế công nghệ ngày nay yêu cầu các thiết bị theo hƣớng tiết kiệm năng lƣợng, tiết kiệm diện tích đồng thời nâng cao hiệu xuất làm việc vì thế nên học viên đã chọn đề tài “Thiết Kế Bộ Nhớ CAM Công Suất Thấp” nhằm đáp ứng theo xu hƣớng công nghệ ngày nay. Tình hình nghiên cứu đề tài.
Năm 2012 Anh-Tuan Do, Shoushun Chen cùng các cộng sự cho ra mắt bài báo “A High Speed Low Power CAM With a Parity Bit and Power - Gated ML Sensing‟‟ họ đã trình bày về các thức hoạt động của CAM parity bit giảm delay 39% và kết hợp với gated-power giảm điện năng tiêu thụ trung bình 64% so với CAM thông thƣờng[1]. Năm 2015 Shixiong Jiang, Pengzhan Yan và cộng sự cho ra mắt bài báo “A High Speed and Low Power Content-addressable Memory(CAM) Using Pipelined Scheme” họ thiết kế kỹ thuật định tuyến các hoạt động tìm kiếm bằng cách phân chia hoạt động matching đơn giản thành một vài phân đoạn cho các dòng thanh ghi tìm kiếm khác nhau và sử dụng kỹ thuật multi-bank để tìm kiếm dữ liệu cấu trúc 1 thanh ghi và kết quả họ thu đƣợc là tiết kiệm đƣợc 37.32% năng lƣợng tiêu thụ và 90.79% thời gian tìm kiếm so với CAM thông thƣờng [2]. Năm 2011 Anh Tuan Do, Shoushun Chen, Zhi-Hui Kong and Kiat Seng Yeo đã viết bài báo về sử dụng kỹ thuật Power gating và một Delay Loop với bộ mã hóa ƣu tiên (PE) để tiết kiệm năng lƣợng kết quả thu đƣợc là giảm 76% năng lƣợng tiêu thụ toàn mạch[3]. Năm 2015 Song Jia, Weiting Li, Wenyi Tang và Yuan Wang đã nghiên cứu sử dụng phƣơng pháp điện áp xung cho quá trình Search Line để giảm điện áp tiêu thụ và tăng tốc độ tìm kiếm của CAM.
Theo kết quả mô phỏng họ có thể giảm đến 43.4% so với CAM thông thƣờng và họ đã cho ra bài báo “A Low Power and High Speed CAM Design Using Pulsed Voltage for Search-Line” Năm 2016 A.Ragasaratha Preethee và V.Bharathi đã cho ra bài báo “Low power CAM design using modified SCN based classifier” họ đã áp dụng phƣơng pháp phân loại những mạng lƣới không tập trung để giảm điện áp tiêu thụ và diện tích của CAM. Họ đã thiết kế một CAM thông thƣờng có 10T nay còn có 4T. Trong nƣớc, năm 2016 tại Trƣờng đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP.HCM Đỗ Nguyễn Tuấn Anh đã làm đồ án tốt nghiệp đại học với tiêu đề “ Thiết kế và mô phỏng bộ nhớ CAM trong công nghệ 45nm” …v.v… Mục tiêu thực hiện đề tài. Mục tiêu của nghiên cứu là tìm ra những kỹ thuật để giảm công suất tiêu thụ cho CAM Cell 45-nm, từ đó đƣa ra những kết luận về ƣu điểm, nhƣợc điểm và hƣớng phát triển sau này.
Nhiệm vụ nghiên cứu. Tìm hiểu về nguyên lí hoạt động của CAM và đồng thời nghiên cứu về các phƣơng pháp làm giảm khả năng tiêu thụ điện năng cũng nhƣ là nâng cao tốc độ tìm kiếm địa chỉ dữ liệu trên bộ nhớ CAM. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. Đối tƣợng nghiên cứu: 2 Nghiên cứu bộ nhớ CAM, CAM Cell.
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu các loại CAM Cell, các kỹ thuật tiết kiệm điện năng, các phƣơng pháp nâng cao tốc độ tìm kiếm và hiệu suất làm việc của bộ nhớ. Phƣơng pháp nghiên cứu. Trong quá trình thực hiện đề tài học viên thực hiện đề tài đã áp dụng một số phƣơng pháp sau để thực hiện đề tài.