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三态按内容寻址存储器(TCAM)是一种高速硬件搜索引擎,不仅具有普通存储器(如SRAM, DRAM等)的存储和读取数据功能,还能对数据进行匹配查找。TCAM主要应用于核心路由器的查找表,数据压缩,模式识别和图像处理等。目前较为成功的商业应用为核心路由器的数据包分类转发。TCAM的高速搜索源于内部搜索操作的并行性,因此TCAM的功耗问题较为严重。随着IPv6的普及与移动互联网的发展,大容量,长字的TCAM芯片需求对搜索速度和功耗提出更高的挑战。许多研究者致力于研究在不牺牲搜索速度的前提下降低TCAM芯片功耗。在此背景下,本论文对高性能低功耗的TCAM芯片进行研究。论文首先提出了一种新型低匹配线电容TCAM单元,该单元匹配线电容较小,有利于降低匹配线功耗。与同类型单元相比,该单元还能够有效避免短路功耗以及潜在功能错误等问题。其次论文提出了一种OR型级联匹配线策略,该策略只有在前一级匹配的情况下才启动下一级搜索操作。由于该匹配线策略预充电节点电容较小,并且第一级全匹配概率低,因此该方案有效地降低了匹配线功耗。而当全字匹配时,论文所提方案的字电路等效为串联的反相器,因此搜索速度较高。接着论文采用Verilog语言设计了具有8级流水的RTL级TCAM控制器,该控制器有效地提高了大容量TCAM芯片搜索速度与吞吐量。最后论文对TCAM控制器进行逻辑综合与后端设计。基于所提匹配线方案,论文采用0.13-um1.2-V SMIC工艺对64字×72比特的TCAM核进行实现,其中级联数目为3级。前仿结果表明,电路搜索速度为0.48 ns,功耗为0.41fJ/bit/search。论文将电路进行版图实现,版图面积仅为97614.14 um2。版图后仿真结果表明,电路搜索速度为1.13 ns,功耗为0.58fJ/bit/search。在相同工艺下,论文对控制器进行综合。综合结果表明,TCAM控制器最高工作速度达400Mhz。