OFC2025 | WDM硅基光电子三元内容寻址存储器

逍遥设计自动化

引言
内容寻址存储器(CAM)在低延迟网络和计算操作中变得越来越重要，特别是在需要快速网络地址查找和相似性检查的应用中。虽然电子CAM实现难以达到超过几GHz的运行速度，但光子实现提供了有希望的替代方案，可在光域中实现显著更快的搜索操作[1]。
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. R: x, r7 U, f1 q' Y  I) I  u光子三元内容寻址存储器技术简介
) i# u4 Z. a2 g3 Y# W三元内容寻址存储器(TCAM)是对二进制CAM的改进，除了传统的"0"和"1"状态外，还允许第三种"无关"状态(X)。这一功能对需要部分匹配的网络应用特别有价值。传统电子TCAM电路面临速度限制，通常仅以几GHz的速度运行，这引发了对光子替代方案的兴趣。
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论文中介绍的研究展示了一种硅集成波分复用(WDM)三元内容寻址存储器单元，能够以创纪录的50 Gb/s高速执行匹配线操作，能量效率仅为38 fJ/bit。这比之前运行在20 GHz的光学TCAM实现提高了2.5倍。
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WDM TCAM架构和操作原理

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图1显示了TCAM表的概念布局、光学WDM三元CAM单元配置、逻辑真值表和N位WDM光学交叉开关CAM表。
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如图1(a)所示，TCAM表采用多位匹配线(ML)比较操作。在所示示例中，4位搜索地址("0110")传输到CAM表中的每个存储字，仅与包含相同存储内容的TCAM条目生成"匹配"信号。
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: k! I5 q# q! Z6 y图1(b)所示的WDM TCAM单元配置，展示了三种可能的存储位(S.B.)值的电路示意图："0"、"1"和三元"X"。搜索位(Bit)及其补码(Bit?)值使用NRZ格式编码成多波长光束并注入TCAM单元。每个存储单元由两个光学分支组成，包含将波长分离并将光束转发到相应强度调制器(IM)的解复用器。

S.B.值被编码到IM中，每个值分配特定波长：λ1用于S.B."0"，λ2用于S.B."1"，λ3用于S.B."X"。存储值由IM的操作状态(ON或OFF)决定。通过适当调整相移器，所得信号被复用并通过相干干涉重新组合，计算存储向量和搜索向量之间的点积。

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; @. a* t- e- d实验实现与设置

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图2显示了WDM单位光子交叉开关原型的显微图像和50 Gb/s 1位TCAM ML操作的实验设置。
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: w! d3 S2 O4 k- x" Z9 J2 ?该光电子集成线路是使用IMEC的SiPh平台制造的，采用56 GHz、50 μm长的SiGe电吸收调制器(EAM)作为搜索和存储字单元，以及热光相移器(TO PS)实现相干干涉。图2(b)所示的实验装置使用三种不同的激光源，在1548.4、1554.9和1558 nm波长产生连续波光束。

组合信号通过TE光栅耦合器注入TCAM，然后通过3-dB MMI耦合器分离。任意波形发生器创建两个互补的50 Gb/s NRZ伪随机位序列，代表搜索位Bit和Bit?值。调制信号被解复用，每个波长通过相应的EAM和PS模块传播，以编码三个S.B.值中的一个。

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性能结果与分析

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" d0 H) M% t* L/ u, c: \5 O图3展示了搜索位和TCAM输出的同步时间轨迹、不同波长的眼图以及50 Gb/s操作下的Q因子。

2 q  Z2 |$ X) e- n0 I( a: E. n3 p图3(a)展示了50 Gb/s下搜索信息和三个S.B.值的TCAM输出的同步时间轨迹。轨迹显示，对于S.B."0"(当搜索Bit=0且Bit?=1时)，TCAM输出产生零功率值，表示逻辑"匹配"。对于S.B."1"，1级功率值表示逻辑"不匹配"。对于三元"X"，无论搜索信息如何，都获得恒定的"匹配"状态。

图3(b)显示了用于验证S.B.案例的所有波长的眼图，证明所有搜索和存储位配置都有清晰的眼图开口。性能通过Q因子测量进行评估，如图3(c)所示，搜索位表现出5.8-7.62范围内的Q因子，突显了EAM在约10 nm范围内的宽带能力。"0"和"1"的存储案例分别显示4.9和6.41的Q因子值。

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7 o' p: _$ R  H: z/ H- k0 h  \0 w优势与未来影响
提出的WDM增强型交叉开关布局的一个显著优势是，它只需要传统交叉开关列的1/3就能印制所有TCAM状态。假设每个多路复用/解复用模块的最先进损耗值为0.2 dB，该架构与传统方法相比可实现超过60%的插入损耗减少。

考虑到CAM单元EAM的响应率为0.8 A/W、输入功率为-4.5 dBm，以及TO PS需要1.42 mW实现π相移，WDM TCAM单元的能量效率计算为50 Gb/s下的38 fJ/bit。

8 m/ e9 w: S# J# X* h这一突破展示了光子TCAM实现克服电子对应物速度限制的潜力，为需要低延迟搜索操作的高速网络和计算应用提供有希望的解决方案。
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4 N+ y6 Z7 Q& D6 n0 @8 |参考文献
, i5 k; e5 b4 G/ v  E& C[1] T. Moschos, C. Pappas, S. Kovaios, I. Roumpos, A. Prapas, A. Tsakyridis, M. Moralis-Pegios, C. Vagionas, Y. London, T. Van Vaerenbergh, B. Tossoun, and N. Pleros, "A 50 Gb/s WDM Silicon Photonic Ternary Content Addressable Memory cell," in Optical Fiber Communication Conference (OFC), 2025, pp. Th1F.3.
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4 g# F& O; |8 I" i! ~3 o! D0 O转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！

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0 N  h5 i/ ~3 E7 N1 l' z# o1 p深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。

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