[发明专利]具有内容寻址功能的MRAM芯片及内容寻址方法

说明书

本发明提供一种MRAM芯片，包括一个或多个由MRAM存储单元组成的阵列，每个阵列与控制电路连接，控制电路包括行地址解码器、列地址解码器、读写控制器以及输入输出控制，控制电路还包括比较器与搜索控制器，比较器用于比较从阵列中读出的内容与搜索字，搜索控制器用于控制内容寻址操作。本发明还提供上述MRAM芯片的内容寻址操作方法。本发明提供的MRAM芯片及内容寻址操作方法，搜索速度比软件搜索快得多；多个阵列的内容寻址操作是并行的，进一步提高搜索速度；由于实现电路简单，耗电大大降低，非常适用于物联网和可穿戴电子设备等领域；只需要在每个阵列外增加一部分电路，芯片总面积增加很少，因而是费效比很高的方案。

技术领域

本发明涉及MRAM芯片，尤其涉及一种具有内容寻址功能的MRAM芯片及内容寻址方法。

背景技术

关于MRAM：

本发明的背景是MRAM技术的成熟。MRAM是一种新的内存和存储技术，可以像SRAM/DRAM一样快速随机读写，还可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据。

它的经济性想当地好，单位容量占用的硅片面积比SRAM有很大的优势，比在此类芯片中经常使用的NOR Flash也有优势，比嵌入式NOR Flash的优势更大。它的性能也相当好，读写时延接近最好的SRAM，功耗则在各种内存和存储技术最好。而且MRAM不像DRAM以及Flash那样与标准CMOS半导体工艺不兼容。MRAM可以和逻辑电路集成到一个芯片中。

MRAM的原理：

MRAM的原理，是基于一个叫做磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)的结构。它是由两层铁磁性材料夹着一层非常薄的非铁磁绝缘材料组成的。如图：

下面的一层铁磁材料是具有固定磁化方向的参考层，上面的铁磁材料是可变磁化方向的记忆层，它的磁化方向可以和固定磁化层同向或反向。由于量子物理的效应，电流可以穿过中间的隧道势垒层，但是MTJ的电阻和可变磁化层的磁化方向有关。磁化方向可以和固定磁化层同向为低电阻态，如图1所示；磁化方向可以和固定磁化层反向为高电阻态，如图2所示。

读取MRAM的过程就是对MTJ的电阻进行测量。使用比较新的STT-MRAM技术，写MRAM也比较简单：使用比读更强的电流穿过MTJ进行写操作。一个自下而上的电流把可变磁化层置成与固定层同向，自上而下的电路把它置成反向。

MRAM的架构

每个MRAM的记忆单元由一个MTJ和一个MOS管组成，MOS管的栅极(gate)连接到芯片的字线(Word Line)负责接通或切断这个单元，MTJ和MOS管串接在芯片的位线(BitLine)上，读写操作在位线上进行，如图3所示。

一个MRAM芯片由一个或多个MRAM存储单元的阵列组成，每个阵列有若干外部电路，如：

●行地址解码器：把收到的地址变成字线的选择

●列地址解码器：把收到的地址变成位线的选择

●读写控制器：控制位线上的读(测量)写(加电流)操作

●输入输出控制：和外部交换数据

在普通的内存中搜索存储内容，只能在软件的控制下，按地址顺序逐一读出内存中的内容进行比较，非常耗时。

内容寻址内存(Content Addressable Memory，CAM)指的是能够按存储内容搜索地址的内存，搜索速度比软件搜索快得多。这种内容寻址内存，在大数据的时代将有广泛的应用。

基于SRAM的内容寻址内存，用于存储CPU的缓存标签，目前应用很广。这种技术需要在每个存储单元中增加比较逻辑，导致面积(成本)提高近一倍。