WDM光子TCAM：50 Gb/s 三元內容定址記憶體實作

快速查找需求推動TCAM向光子化演進

三元內容定址記憶體（Ternary content addressable memory, TCAM）廣泛用於網路封包查找與相似度比對等低延遲應用。電子式 TCAM 難以突破數 GHz 操作頻寬，限制其於高通量網路運作的效能。光子式 TCAM 則可在光學域內高速處理資料，具潛力克服電子限制。

技術架構：WDM跨欄設計提升比對效率

本研究提出一種以波長分波多工（Wavelength division multiplexed, WDM）實現的光子 TCAM 架構，使用三種波長分別對應儲存位元 "0"、"1" 與「X」（don't care）狀態，並透過調變器與相位器進行搜尋與儲存位元交互處理。搜尋位元與其補數以 NRZ 格式編碼後注入晶片，在光域內進行多筆位元比對。

與傳統電子 TCAM 相比，此架構可在每一位元儲存單元中執行點積運算，並透過干涉強度輸出判斷比對結果。其「X」態可在任一輸入下產生比對結果，有助於網路部分比對應用。

實驗設計與光子電路製作

該系統採用 IMEC 矽光子製程平台製作，整合 56 GHz SiGe 電吸收調製器（Electro-absorption modulators, EAM）與熱光相移器（Thermo-optic phase shifters, TOPS）。搜尋與儲存訊號透過三種雷射波長（1548.4、1554.9、1558 nm）同時注入，並透過光柵耦合器與多模干涉耦合器導入電路。

以任意波形產生器驅動 50 Gb/s NRZ pseudo-random bits 代表搜尋位元與其補數，分別導向對應 EAM 進行調變，實作單位元 TCAM 操作。

性能驗證與數據分析

實驗結果顯示：

• 三種儲存狀態皆能正確產生邏輯比對結果，其中 "0" 態會導致輸出功率歸零（代表比對成功）、"1" 態輸出高功率（代表比對失敗）、「X」態則皆產生比對結果；

• 所有儲存與搜尋組合皆有清晰眼圖，對應 Q-factor 值介於 4.9 至 7.62；

• 僅需傳統光交叉架構三分之一欄位數，即可完成全狀態儲存編碼；

• 每位元能耗為 38 fJ/bit（50 Gb/s 操作下），插入損耗降低達 60%。

結論

本研究展示一種以矽光子實現的 WDM 三值 TCAM 記憶體單元，具備 50 Gb/s 操作能力與 38 fJ/bit 能效。此架構透過光域比對與簡化交叉結構設計，完成了比現有光子 TCAM 高 2.5 倍的操作速率，並成功驗證其搜尋輸出、眼圖清晰度與系統損耗，提供一項具體可行的高速比對解決方案。

參考資料

[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