在存儲(chǔ)器與邏輯電路（比較電路）融為一體的內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)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(gè)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(chǔ)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(diǎn)擊放大）

　　采用該技術(shù)，無(wú)需犧牲啟動(dòng)時(shí)間，即可將CAM的待機(jī)功耗降為零＊1。并且，有利于實(shí)現(xiàn)即使待機(jī)功耗為零、再接通電源時(shí)也能夠瞬間啟用的電子產(chǎn)品。

　?。?　NEC計(jì)劃3～4年后使該技術(shù)達(dá)到實(shí)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(jī)功耗都很大。比如：臺(tái)式電腦在睡眠狀態(tài)下，會(huì)消耗約2.4W電力。42英寸的液晶電視在高速啟動(dòng)模式下，待機(jī)功耗高達(dá)約18W。

　　這是因?yàn)楝F(xiàn)在的電子產(chǎn)品為了縮短啟動(dòng)時(shí)間，必須保持內(nèi)部電路的通電狀態(tài)。比如，原來(lái)在切斷電源時(shí)CPU會(huì)丟失內(nèi)部信息，因此在斷電時(shí)必須將信息轉(zhuǎn)移到外部存儲(chǔ)裝置，而再通電時(shí)，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(wú)需從外部存儲(chǔ)裝置重新讀入信息，因此能夠縮短啟動(dòng)時(shí)間。當(dāng)然，CPU中除CAM以外，還配備有存儲(chǔ)器和運(yùn)算電路等，因此要想將整個(gè)系統(tǒng)LSI的待機(jī)功耗降為零，那么這些部件均實(shí)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(shí)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(qiáng)力磁鐵（引腳層）組成。

　　

　　圖2：垂直磁壁元件和存儲(chǔ)機(jī)制（點(diǎn)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(huì)形成磁化方向由向上變成向下的壁（磁壁）。寫入電流通過(guò)時(shí)，該磁壁的位置移至電流上流（電子流的下游）。

　　電流沿著長(zhǎng)度方向在自由層內(nèi)部流動(dòng)。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(lái)看，這時(shí)的自由層磁化方向就是Co-Ni疊層膜的不成對(duì)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(dòng)時(shí)，新流入自由層的電子向上自旋。

　　同時(shí)，該電子將向上自旋的原有不成對(duì)電子擠向下游。該不成對(duì)電子進(jìn)一步將下游的不成對(duì)電子擠向下游，不成對(duì)電子就像臺(tái)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(dòng)。從而使得自由層長(zhǎng)度方向中央部的磁化方向向上（信息“0”），改變電流方向時(shí)，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(lái)移動(dòng)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(guò)，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(xiàng)新技術(shù)中，用于讀取所存儲(chǔ)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(huì)減小，反之，電阻就會(huì)增大。

　　如圖3所示，將MTJ元件配置在垂直磁壁元件的長(zhǎng)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(shí)，就會(huì)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(shí)，就會(huì)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(shí)，MTJ元件的電阻就會(huì)減小，向下時(shí)，電阻就會(huì)增大。

　　

　　圖3：讀取機(jī)制（點(diǎn)擊放大）

　　垂直磁壁元件中央部的磁化方向向上時(shí)，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(shí)，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(shí)減小，在磁化方向向下時(shí)增大。

 

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　　實(shí)際上，是采用圖4所示的電路向垂直磁壁元件寫入和通過(guò)MTJ元件來(lái)讀取的。將兩個(gè)垂直磁壁元件串聯(lián)，同時(shí)進(jìn)行寫入，以在一個(gè)寫入電流下使兩個(gè)垂直磁壁元件的磁化方向相反。

　　

　　圖4：寫入和讀取用電路（點(diǎn)擊放大）

　　一個(gè)特點(diǎn)是兩個(gè)垂直磁壁元件串聯(lián)，同時(shí)進(jìn)行寫入，以在一種寫入電流下使兩個(gè)垂直磁壁元件的磁化方向相反。另一個(gè)特點(diǎn)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(chǔ)的信息是1還是0。如果用絕對(duì)值檢測(cè)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(jiǎn)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(gè)通道，因此不用擔(dān)心從寫入轉(zhuǎn)為讀取時(shí)，電流會(huì)流過(guò)讀取電流的通道，無(wú)需等待即可開始讀取工作。這樣，周期為5ns時(shí)，便實(shí)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(guò)共用垂直磁壁元件的寫入晶體管，面積比原來(lái)的CAM減半。耗電量為9.4mW。

 

 

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作者：tee