在存儲器與邏輯電路（比較電路）融為一體的內(nèi)容可尋址存儲器（CAM）方面，NEC和日本東北大學(xué)全球首次開發(fā)出了與原有CAM保持同等處理速度、切斷電源后仍能保存數(shù)據(jù)的非易失化技術(shù)（圖1）。CAM的每個bit都擁有比較電路，能快速找出與輸入字符一致的數(shù)據(jù)存儲地址，并返回該地址。在CPU等的SoC（System on a Chip）內(nèi)，CAM被用于轉(zhuǎn)換內(nèi)存地址。

　　圖1：NEC和日本東北大學(xué)試制的非易失型CAM（點擊放大）

　　采用該技術(shù)，無需犧牲啟動時間，即可將CAM的待機功耗降為零＊1。并且，有利于實現(xiàn)即使待機功耗為零、再接通電源時也能夠瞬間啟用的電子產(chǎn)品。

　　＊1　NEC計劃3～4年后使該技術(shù)達到實用水平。由于元件采用不同于以往的材料，因此確立工藝技術(shù)是目前面臨的課題。

　　現(xiàn)在，各種電子產(chǎn)品的待機功耗都很大。比如：臺式電腦在睡眠狀態(tài)下，會消耗約2.4W電力。42英寸的液晶電視在高速啟動模式下，待機功耗高達約18W。

　　這是因為現(xiàn)在的電子產(chǎn)品為了縮短啟動時間，必須保持內(nèi)部電路的通電狀態(tài)。比如，原來在切斷電源時CPU會丟失內(nèi)部信息，因此在斷電時必須將信息轉(zhuǎn)移到外部存儲裝置，而再通電時，必須重新讀入這些信息。如果將新開發(fā)的CAM應(yīng)用于CPU，則無需從外部存儲裝置重新讀入信息，因此能夠縮短啟動時間。當(dāng)然，CPU中除CAM以外，還配備有存儲器和運算電路等，因此要想將整個系統(tǒng)LSI的待機功耗降為零，那么這些部件均實現(xiàn)非易失化也至關(guān)重要。

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　　磁化方向隨磁壁位置而改變

　　NEC和日本東北大學(xué)為實現(xiàn)CAM非易失化采用的是垂直磁壁元件。這是使磁化與電流垂直，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)和材料的元件。如圖2所示，該元件由鈷鎳（Co-Ni）疊層膜構(gòu)成的磁性體層（自由層）和鈷鉑（Co-Pt）疊層膜構(gòu)成的強力磁鐵（引腳層）組成。

　　

　　圖2：垂直磁壁元件和存儲機制（點擊放大）

　　為使自由層兩端的磁化方向相反，用引腳層固定，因此中途會形成磁化方向由向上變成向下的壁（磁壁）。寫入電流通過時，該磁壁的位置移至電流上流（電子流的下游）。

　　電流沿著長度方向在自由層內(nèi)部流動。在電流流入流出的自由層兩端的下部配置引腳層，將自由層兩端的磁化方向一端向上固定，另一端向下固定。

　　從微觀來看，這時的自由層磁化方向就是Co-Ni疊層膜的不成對電子的自旋方向。因此，電子在自由層內(nèi)從磁化方向向上側(cè)向向下側(cè)流動時，新流入自由層的電子向上自旋。

　　同時，該電子將向上自旋的原有不成對電子擠向下游。該不成對電子進一步將下游的不成對電子擠向下游，不成對電子就像臺球一樣依次傳向下游。

　　結(jié)果，自由層內(nèi)磁化方向突變的磁壁的位置也向電子流的下游（電流的上流）移動。從而使得自由層長度方向中央部的磁化方向向上（信息“0”），改變電流方向時，磁化方向就變成向下（信息“1”）。

　　這樣，垂直磁壁元件就能夠根據(jù)電流（寫入電流）方向來移動磁壁的位置。由于磁壁的位置一直保持到下次寫入電流通過，因此即使切斷電源也能夠保存信息。

 

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　　靠外配置MTJ元件

　　在這項新技術(shù)中，用于讀取所存儲的磁化方向的是磁性隧道結(jié)（MTJ）元件。該元件由讀取引腳層、絕緣體通道膜和讀取自由層構(gòu)成。讀取引腳層和讀取自由層的磁化方向相同，電阻就會減小，反之，電阻就會增大。

　　如圖3所示，將MTJ元件配置在垂直磁壁元件的長邊中央部分的上方。這樣，垂直磁壁元件中央部分的磁化方向向上時，就會使讀取自由層發(fā)生向外的磁化，元件中央部分的磁化方向向下時，就會發(fā)生向內(nèi)的磁化。由于讀取引腳層的磁化方向是固定向外的，因此垂直磁壁元件自由層中央部的磁化向上時，MTJ元件的電阻就會減小，向下時，電阻就會增大。

　　

　　圖3：讀取機制（點擊放大）

　　垂直磁壁元件中央部的磁化方向向上時，讀取MTJ元件的讀取自由層的磁化方向向外，元件中央部的磁化方向向下時，讀取MTJ元件的讀取自由層的磁化方向向內(nèi)。由于讀取引腳層的磁化方向是固定向外的，因此讀取MTJ元件的電阻值在磁化方向向上時減小，在磁化方向向下時增大。

 

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　　實際上，是采用圖4所示的電路向垂直磁壁元件寫入和通過MTJ元件來讀取的。將兩個垂直磁壁元件串聯(lián)，同時進行寫入，以在一個寫入電流下使兩個垂直磁壁元件的磁化方向相反。

　　

　　圖4：寫入和讀取用電路（點擊放大）

　　一個特點是兩個垂直磁壁元件串聯(lián)，同時進行寫入，以在一種寫入電流下使兩個垂直磁壁元件的磁化方向相反。另一個特點是分離了寫入電流和讀取電流的通道。

　　根據(jù)這些MTJ元件讀取電流的大小可以辨別出所存儲的信息是1還是0。如果用絕對值檢測電流，則需要復(fù)雜的電路，而利用該方法只需要比較大小，因此用簡單的電路即可。

　　另外，由于分離了寫入電流和讀取電流的兩個通道，因此不用擔(dān)心從寫入轉(zhuǎn)為讀取時，電流會流過讀取電流的通道，無需等待即可開始讀取工作。這樣，周期為5ns時，便實現(xiàn)了與使用原有CMOS晶體管的CAM同等的處理速度＊2。另外，通過共用垂直磁壁元件的寫入晶體管，面積比原來的CAM減半。耗電量為9.4mW。

 

 

--來源：技術(shù)在線

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作者：tee