CN103295630A - 基于高速磁随机存取存储器的三态cam - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种基于自参考型磁随机存取存储器的三态内容可寻址存储器(基于MRAM的TCAM)单元，包括第一和第二磁隧道结；第一和第二导电带，适于分别在该第一和第二磁隧道结中传递加热电流；传导线，串联电连接该第一和第二磁隧道结；第一电流线，用于传递第一场电流以将第一写数据选择性地写入到该第一磁隧道结；以及第二电流线，用于传递写电流以将第二写数据选择性地写入到该第二磁隧道结，使得三个不同的单元逻辑状态可以被写入在基于MRAM的TCAM单元中。
Description
技术领域
本公开涉及一种基于自参考型磁随机存取存储器的三态内容可寻址存储器(基于MRAM的TCAM)单元，允许以高速执行写入和搜索操作并且在基于MRAM的TCAM单元中写入多达三种不同的单元逻辑状态。本公开还涉及一种用于写入和搜索该单元的方法。
背景技术
内容可寻址存储器(CAM)是随机存取存储器(RAM)技术的成果。不像基于其地址来访问字的RAM，CAM基于其内容来访问字。CAM以类似于传统RAM的方式存储数据。然而，“读取”CAM涉及提供要匹配的输入数据，然后搜索该CAM用于匹配，使得该匹配的地址可以被输出。CAM被如此设计，使得用户供应数据字，并且CAM在一个时钟周期内搜索其全部存储器以查看该数据字是否被存储在其内的任何位置。如果该数据字被找到，则CAM返回该字被发现的一个或多个存储地址的列表。CAM可以在设备启动时被预加载，并在设备操作期间被再次写入。
为了快速搜索整个存储器，CAM采用了每存储器行单独的匹配逻辑。当搜索关键字被用户呈现时，每个搜索关键字比特将在同一时刻在一列中对于所有匹配逻辑单元可见。匹配逻辑单元中的每行接着将在所提供的搜索关键字和关联的存储行中的存储的关键字之间执行逐位比较。比较结果将被简化成二进制值(例如，1用于匹配，以及0用于不匹配)并且被馈送到优先编码器中，该优先编码器最终产生搜索结果。因为用于所有存储行的比较是并行执行的，所以CAM实现了高带宽、时间恒定的搜索性能。
CAM，以及具体而言是三态CAM(TCAM)，大部分还被用于联网设备。诸如普通存储器一样它们提供读取和写入，但另外还支持搜索，其将在整个存储器中找到任何匹配数据的索引。特别地，TCAM可以包括通配符位，其将要匹配1和0两者。这些通配符可以被用于存储器的访问操作(指示搜索的某些位是“无关(don′t care)”)或者可以与数据本身一起被存储(指示数据的某些位不应被用于确定匹配)。当屏蔽位有效时(例如，设置为逻辑0值)，三态CAM单元被对待为存储“无关”(X)值，这意味着在有效屏蔽的三态CAM单元上所执行的所有比较操作将导致单元匹配状况。因此，如果逻辑0数据位被应用于存储了有效屏蔽位和逻辑1数据位的三态CAM单元，则该比较操作将指示单元匹配状况。单元匹配状况还将被指示逻辑1数据位是否被应用于存储了有效屏蔽位和逻辑0数据位的三态CAM单元。因此TCAM可以执行局部匹配。由TCAM提供的完全并行搜索减轻了许多复杂操作的实施，例如路由查表法。因为TCAM在存储器中一次搜索每个位置，所以TCAM中元件的排序是较不重要的，并且大的索引结构常常可以被完全避免。这种并行的搜索直接实现一些应用的需求(像IP-查找)，并且可以充当更多搜索方案的构件块。TCAM还被用于其他高速联网应用中，例如分组分类、访问列表控制、用于入侵检测的模式匹配。TCAM还在若干应用中与网络处理器一起使用作为联合处理器来补充网络处理器，若干应用例如是分组分类以及路由查找。
静态随机存取存储器(SRAM)TCAM单元的典型实施方式由包含两个SRAM单元的三态存储装置组成，其组合了10到12个晶体管。它还具有比较逻辑，其本质上是一种XNOR门，使用了4个额外的通晶体管。因而有14到16个晶体管的非常巨大的单元尺寸，所以是昂贵的设备。
不像RAM芯片，其具有简单的存储单元，在完全并行的TCAM中的每个个体存储位具有其自身关联的比较电路来检测存储的数据位和输入的数据位之间的匹配。TCAM芯片因此在存储容量上比常规的存储器芯片相当小。另外，数据字中的来自每个单元的匹配输出可以被组合以产生完整的数据字匹配信号。相关联的附加电路进一步增加了TCAM芯片的物理尺寸。此外，如当今实现的CAM和TCAM(使用SRAM元件)是固有易失性的，意味着数据在电源关闭的时候丢失。结果，每个比较电路需要在每个时钟周期上是有效的，导致了大量的功耗。由于巨大的价格标签、高功率以及固有的易失性，TCAM仅仅被用在专门的应用中，其中使用不太昂贵的方法无法实现搜索速度。
具有基于磁隧道结存储器单元的随机存取CAM已经在专利申请WO2008/040561中被本申请人提出。这里，磁隧道结具有第一和第二磁性层并且可以用作为数据存储以及数据感测。在每个单元内部，通过在磁隧道结中经由一个或多个电流线中的电流脉冲来设置第一磁性层的磁方位来写入寄存数据。用于与寄存数据比较的输入数据可以经由电流线通过第二磁性层的磁方位被类似地设置。该数据感测通过测量单元阻抗来执行，其依赖于磁性层的相对磁方位。因为数据存储、数据输入、以及数据感测被集成到一个单元中，所以该存储器将更高的密度与非易失性相组合。
新兴的存储器技术以及高速查找密集应用一直需要具有大字长的三态内容可寻址存储器，其承受由于大的单元容量引起的较低的搜索速度。
欧洲专利EP2204814公开了一种基于磁随机存取存储器的三态内容可寻址存储器(基于MRAM的TCAM)单元，包括：两个磁隧道结；与每个磁隧道结耦合的不同的感测线；第二场线，以及与该场线正交的另一条场线，共有于两个磁隧道结。基于NRAM的TCAM单元可以存储具有高或低逻辑状态以及具有屏蔽逻辑状态的数据。
然而，该公开的基于MARM的TCAM不能可靠地存储两种以上的阻抗状态。此外，使用两个垂直场线的基于MRAM的TCAM不能容易地在尺寸上变得精简。
发明内容
本公开涉及一种基于自参考型磁随机存取存储器的三态内容可寻址存储器(基于MRAM的TCAM)单元，包括第一磁隧道结以及第二磁隧道结，每个磁隧道结包括搜索层，其具有可以自由地改变的搜索磁化强度，存储层，其具有当磁隧道结处于高温阈值时可以从第一稳定方向切换到第二稳定方向的存储磁化强度；以及隧道阻挡层，其在搜索层和存储层之间；第一导电带，其与第一磁隧道结的一端电连通；第二导电带，其与第二磁隧道结的一端电连通；传导线，其与第一和第二磁隧道结的另一端电连通，使得两个磁隧道结被串联连接；第一电流线，适于传递生成第一磁场的第一场电流，用于将第一写数据写入到第一磁隧道结；以及第二电流线，适于独立于在该第一电流线中传递该第一场电流来传递写电流，用于选择性地根据该第一写数据的写入将第二写数据写入到该第二磁隧道结，使得三个不同的单元逻辑状态可以被写入在基于MRAM的TCAM单元中。
在一个实施例中，该写电流包括生成第二磁场的第二场电流。
在另一个实施例中，该写电流进一步包括加热电流，并且其中该单元被布置用于经由该传导线、该第一带、以及该第二带，在两个磁隧道结中传递该加热电流，使得该两个磁隧道结可以在高温阈值下被同时加热。
在又一个实施例中，该写电流包括加热电流，并且其中该第二电流线被电连接到该传导线，使得该加热电流可以选择性地经由该传导线和该第二电流线的一部分在该两个磁隧道结的每一个中传递，使得两个磁隧道结中的每一个可以被选择性地加热。
在又一个实施例中，写电流进一步包括第二场电流，并且其中单元被布置用于在该第一电流线中传递第二场电流。
本公开进一步涉及包括多个基于MRAM的TCAM单元的磁存储器设备。
本公开还涉及一种写入到基于MRAM的TCAM单元的方法，包括将第一写数据选择性地写入到该第一磁隧道结，并且将第二写数据选择性地写入到该第二磁隧道结，以便在基于MRAM的TCAM单元中写入单元逻辑状态。
在一个实施例中，所述写电流包括生成第二磁场的第二场电流，并且所述将第一和第二写数据分别选择性地写入到该第一和第二磁隧道结，包括：
将该第一和第二磁隧道结加热到高温阈值；并且
在该第一电流线中传递具有第一极性的该第一场电流，用于根据该第一极性切换该第一磁隧道结的存储磁化强度；以及在该第二电流线中传递具有第二极性的该第二场电流，用于根据该第二极性切换该第二磁隧道结的该存储磁化强度。
在另一个实施例中，所述写电流进一步包括加热电流，并且其中所述加热该第一和第二磁隧道结包括经由该传导线、该第一带、以及该第二带在该两个磁隧道结中传递该加热电流。
在又一个实施例中，所述写电流包括加热电流，并且将所述第二电流线与该传导线电连接；所述将第一和第二写数据分别选择性写入到该第一和第二磁隧道结，包括：
将该第一磁隧道结选择性地加热到该高温阈值；
在该第一电流线中传递具有第一极性的该第一场电流，用于根据该第一极性切换该第一磁隧道结的存储磁化强度；
将该第二磁隧道结选择性地加热到该高温阈值；以及
在该第一电流线中传递具有第二极性的第二场电流，用于根据该电流极性切换该第二磁隧道结的存储磁化强度。
在又一个实施例中，所述选择性地加热该第一磁隧道结包括经由该第二电流线、该传导线的第一部分、以及该第一带在该第一磁隧道结中传递该加热电流；并且所述选择性地加热该第二磁隧道结包括经由该第二电流线、该传导线的第二部分、以及该第二带在该第二磁隧道结中传递该加热电流。
在又一个实施例中，该第一极性与该第二极性相同，以便在基于MRAM的TCAM单元中写入高(“1”)或低(“0”)单元逻辑状态；或者该第一极性与该第二极性相反，以便在基于MRAM的TCAM单元中写入无关(“X”)单元状态逻辑状态。
本公开进一步涉及一种搜索基于MRAM的TCAM单元的方法，包括：
在第一搜索方向上对准该第一和第二磁隧道结的搜索磁化强度；
测量第一单元阻抗；
在第二搜索方向上对准该第一和第二磁隧道结的搜索磁化强度；
测量第二单元阻抗；以及
通过该第一和第二单元阻抗之间的差值来确定该单元逻辑状态。
在一个实施例中，所述在第一搜索方向上对准该搜索磁化强度包括在该第一和/或第二电流线中传递具有第一极性的搜索电流，并且所述在第二搜索方向上对准该搜索磁化强度包括在该第一和/或第二电流线中传递具有与第一极性相反的第二极性的搜索电流。
在另一个实施例中，所述测量第一和第二单元阻抗包括经由传导线以及该第一和第二带在该第一和第二磁隧道结中传递搜索电流。
这里公开的基于MRAM的TCAM单元允许以高速执行写入和搜索操作，并且在基于MRAM的TCAM单元中写入多达三种不同的单元逻辑状态。
附图说明
在通过示例方式给出并且通过附图说明的实施例的描述的辅助的情况下，可以更好地理解本公开，其中：
图1示出了根据实施例的基于MRAM的TCAM单元，其包括第一和第二磁隧道结；
图2示出了根据另一实施例的基于MRAM的TCAM单元，其包括该第一和第二磁隧道结；以及
图3a-3d表示第一和第二磁隧道结的存储磁化强度和搜索磁化强度的不同配置。
具体实施方式
在图1中表示的实施例中，一种基于自参考型磁随机存取存储器的三态内容可寻址存储器(基于MRAM的TCAM)单元1包括，第一磁隧道结2、第二磁隧道结2’、与该第一磁隧道结2的一端电连通的第一导电带7、与该第二磁隧道结2’的一端电连通的第二导电带7’，该第一和第二带7、7’中的每一个分别在该第一和第二磁隧道结2、2’的一侧上横向延伸。基于MRAM的TCAM单元1进一步包括传导线3，其分别与第一和第二磁隧道结2、2’的另一端连通，使得两个磁隧道结2、2’被串联电连接。每个磁隧道结2、2’可以包括搜索层21，其具有能自由改变的搜索磁化强度210；存储层23，其具有可以从第一稳定方向切换到第二稳定方向的存储磁化强度230；以及在搜索层21和存储层23之间的隧道阻挡层22。基于MRAM的TCAM单元1进一步包括第一选择晶体管8，其被电连接到第一带7的与连接到第一磁隧道结2的一端相对的一端。第二选择晶体管8’被连接到第二带7’的与连接到第二磁隧道结2’的一端相对的一端。在这种配置中，写电流，或加热电流31，可以经由第一带7和第二带7’在两个磁隧道结2、2’以及传导线3中被传递。
基于MRAM的TCAM单元1进一步包括与第一磁隧道结2连通的第一电流线4和与第二磁隧道结2’连通的第二电流线4’。第一电流线4被布置用于传递第一场电流41以便生成第一磁场42。写电流进一步包括第二场电流41’，并且第二电流线4’被布置用于独立于第一场电流41传递第二场电流41’，以便生成第二磁场42’。在图1的示例中，第一电流线4基本上与第二电流线4’平行。
写入操作
根据一个实施例，基于MRAM的TCAM单元1的写入操作包括将第一写数据选择性地写入到第一磁隧道结2，并且将第二写数据选择性地写入到第二磁隧道结2’。写入第一和第二写数据可以包括将第一和第二磁隧道结2、2’加热到高温阈值；在第一写入方向上切换第一磁隧道结2的存储磁化强度230，以及在第二写入方向上切换第二磁隧道结2’的存储磁化强度230；并且将第一和第二磁隧道结2、2’冷却到低温阈值，在该低温阈值下，存储磁化强度230在写入状态中被冻结。
将第一和第二磁隧道结2、2’加热到高温阈值可以通过当第一和第二选择晶体管8、8’处于通模式时，经由传导线3和带7、7’在磁隧道结2、2’中传递加热电流31来执行。在第一和第二磁隧道结2、2’的存储层23被非铁磁性层(未示出)交换耦合的情况下，高温阈值应该处于或高于非铁磁性层的临界温度，其中交换耦合消失并且存储层23不再被非铁磁性层牵制且可以被自由调整。因为加热电流31在两个磁隧道结2、2’中传递，磁隧道结2、2’两者同时在高温阈值下被加热。
在第一写入方向上切换第一磁隧道结2的存储磁化强度230可以包括在第一电流线4中传递具有第一极性的第一场电流41。在第二写入方向上切换第二磁隧道结2’的存储磁化强度230可以包括在第二电流线4’中传递具有第二极性的第二场电流41’。在第一电流线4中传递第一场电流41可以通过在通模式中设置第一场选择晶体管9来实现。独立于第一场电流41在第二电流线4’中传递第二场电流41’可以通过在通模式中设置第二场选择晶体管9’来实现。第一场电流41的极性可以与第二场电流41’的极性相同或者相反。此外，切换第一和第二磁隧道结2、2’的存储磁化强度230可以被同时完成，允许以高速执行写入操作。
搜索操作
根据实施例，一种自参考型搜索操作可以包括在第一搜索方向上对准第一和第二磁隧道结2、2’的搜索磁化强度210的步骤；以及将第一和第二写数据与在第一搜索方向上对准的搜索磁化强度210进行比较的步骤。该搜索操作可以进一步包括在第二搜索方向上对准第一和第二磁隧道结2、2’的搜索磁化强度210；以及将第一和第二写数据与在第二搜索方向上对准的搜索磁化强度210进行比较。对准搜索磁化强度210可以在第一和第二电流线4、4’中通过传递搜索电流51来执行，以便生成搜索磁场52。该搜索磁化强度210在第一和第二搜索方向上根据搜索电流51的极性而被对准。搜索磁化强度210与存储磁化强度230的相对方位将确定第一磁隧道结2的第一结阻抗Rmtj1，以及第二磁隧道结2’的第二结阻抗Rmtj2。替代地，搜索电流51可以仅在第一电流线4中或仅在第二电流线4’中传递。
将第一和第二写数据与第一或第二搜索方向上对准的搜索磁化强度210进行比较可以通过分别测量第一和第二单元阻抗RC1、RC2来执行。这可以当对准该搜索磁化强度210时，通过经由传导线3以及第一和第二带7、7’在第一和第二磁隧道结2、2’中传递搜索电流32来执行。当搜索磁化强度210在第一搜索方向上被对准时，第一单元阻抗RC1对应于与第二结阻抗Rmtj2串联的第一结阻抗Rmtj1。当搜索磁化强度210在第二搜索方向上被对准时，第二单元阻抗RC2对应于与第二结阻抗Rmtj2串联的第一结阻抗Rmtj1。搜索电流51可以是交流的，使得搜索磁化强度210随着交流搜索电流51的极性上的改变在第一和第二搜索方向上相继地对准。
图3a到3d表示针对第一和第二磁隧道结2、2’的存储磁化强度230和搜索磁化强度210的不同配置。在图中，第一和第二磁隧道结2、2’的搜索磁化强度210在第一搜索方向上被对准，朝向图中的右边。更特别地，图3a中，第一和第二写数据都对应于状态“0”，即，第一和第二磁隧道结2、2’的存储磁化强度230与搜索磁化强度210基本上平行定向。被测量的第一和第二结阻抗Rmtj1、Rmtj2因此是最小值(Rmin)，并且第一单元阻抗RC1也是最小值(RC1＝2Rmin)。图3b中，第一写数据对应于状态“0”，并且第二写数据对应于状态“1”。这里，分别将第一和第二磁隧道结2、2’的存储磁化强度230基本上平行和反平行于该搜索磁化强度210进行定向。被测量的第一结阻抗Rmtj1是最小值(Rmin)，并且被测量的第二结阻抗Rmtj2是最大值(Rmax)，产生了第一单元阻抗RC1的中间值Rmin+Rmax。图3c中，第一写数据对应于状态“1”，并且第二写数据对应于状态“0”，即，分别将第一和第二磁隧道结2、2’的存储磁化强度230基本上反平行和平行于搜索磁化强度210进行定向。被测量的第一结阻抗Rmtj1是最大值(Rmax)，并且被测量的第二结阻抗Rmtj2是最小值(Rmin)，产生了第一单元阻抗RC1的另一个中间值Rmax+Rmin。图3d中，第一和第二写数据都对应于状态“1”，即将第一和第二磁隧道结2、2’的存储磁化强度230基本上与搜索磁化强度210反平行进行定位。被测量的第一和第二结阻抗Rmtj1、Rmtj2都是最大值(Rmax)且第一单元阻抗RC1也是最大值(RC＝2Rmax)。表1概括了第一和第二结阻抗Rmtj1、Rmtj2的值以及对应的第一单元阻抗RC1。
| RMTJ1 | RMTJ2 | RC1 | |
| a | Rmin | Rmin | 2Rmin |
| b | Rmin | Rmax | Rmin+Rmax |
| c | Rmax | Rmin | Rmin+Rmax |
| d | Rmax | Rmax | 2Rmax |
表1
表2概括了第一和第二结阻抗Rmtj1、Rmtj2的值以及对应的第二单元阻抗RC2，其是当第一和第二磁隧道结2、2’的搜索磁化强度210在与第一搜索方向相反的第二搜索方向上对准时被确定的。第一和第二磁隧道结2、2’利用与图3a-3d中第一和第二写数据的相同序列来被写入。
| RMTJ1 | RMTJ2 | RC2 | |
| a | Rmax | Rmax | 2Rmax |
| b | Rmax | Rmin | Rmin+Rmax |
| c | Rmin | Rmax | Rmin+Rmax |
| d | Rmin | Rmin | 2Rmin |
表2
搜索操作可以进一步包括将第一单元阻抗RC1的值与第二单元阻抗RC2的值进行比较的步骤。例如，当第一和第二写数据对应于状态“0”时，第一单元阻抗RC1和第二单元阻抗RC2之间的差值ΔR(ΔR＝2Rmin-2Rmax)将产生负值，并且因此产生基于MRAM的TCAM单元1的单元逻辑状态“0”。当第一和第二写数据对应于状态“1”时，第一单元阻抗RC1和第二单元阻抗RC2之间的差值ΔR(ΔR＝2Rmax-2Rmin)将产生正值，并且因此产生基于MRAM的TCAM单元1的单元逻辑状态“1”。当第一和第二写数据分别对应于状态“0”和“1”，或分别对应于“1”和“0”时，第一单元阻抗RC1和第二单元阻抗RC2之间的差值ΔR基本上是相同的(ΔR＝0)，对应于基于MRAM的TCAM单元1的单元逻辑状态“X”(无关)。表3概括了第一单元阻抗RC1和第二单元阻抗RC2之间的差值ΔR，其针对在第一磁隧道结2中写入的不同的第一写数据(MTJ1)以及在第二磁隧道结2’中写入的不同的第二写数据(MTJ2)而获得。在这里公开的基于MRAM的TCAM单元1因此允许写入三个不同的单元逻辑状态。
| MTJ1 | MTJ2 | ΔR | 单元逻辑状态 |
| 0 | 0 | ＜0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | X |
| 1 | 0 | 0 | X |
| 1 | 1 | ＞0 | 1 |
表3
图2中所表示的另一个实施例中，基于MRAM的TCAM单元1包括与传导线3电接触的第二电流线4。在图2的示例中，第二电流线4’从传导线3延伸，基本上与第一电流线4平行。这种配置中，两个磁隧道结2、2’的之一可以被选择性寻址。更特别地，加热电流31和搜索电流32可以在两个磁隧道结2、2’之一中被选择性传递。这里，在两个磁隧道结2、2’之一中选择性地传递加热电流31和搜索电流32包括经由第二电流线4’、第二电流线4’和两个磁隧道结2、2’之一之间的传导线3的一部分、以及对应的带7、7’来传递电流31、32。第二电流线4’可以基本上平行于第一电流线4或者基本上垂直于第一电流线4，或与第一电流线4形成任何其他的角度。根据本发明的基于MRAM的TCAM单元1导致比图1的实施例中公开的基于MRAM的TCAM单元1更密集的结构。
具有图2的配置的基于MRAM的TCAM单元1，这个第二实施例提出了更密集的结构，但是比第一实施例更慢。在搜索操作期间，具有基本上改变极性的搜索场电流在电流线中传递。优选地，搜索场电流51具有交流电流，相应地引起具有方向变化的搜索磁场52。
在用于将单元逻辑状态“0”或“1”写入到图2的配置中的基于MRAM的TCAM单元1的写入操作期间(即，用分别具有状态“0”或状态“1”的第一和第二写数据来写入第一和第二磁隧道结2、2’两者)可以包括经由传导线3和带7、7’在两个磁隧道结2、2’中传递加热电流31。切换第一和第二磁隧道结2、2’的存储磁化强度230可以通过在第一电流线4中传递第一和第二场电流41、41’来执行。特别地，单个场电流可以在用作单个电流线的第一电流线4中传递。可以使单个场电流足够大以便在两个磁隧道结2、2’中切换存储磁化强度230。这里，针对第一和第二磁隧道结2、2’两者同时执行写入第一和第二写数据。
当在基于MRAM的TCAM单元1中写入单元逻辑状态“X”时(即，用分别具有状态“0”或状态“1”或者分别具有状态“1”或状态“0”的第一和第二写数据来写入第一和第二磁隧道结2、2’)可以包括：
在第一磁隧道结2中选择性地传递加热电流31；
切换第一磁隧道结2的存储磁化强度230以便写入具有状态“0”或“1”的第一写数据；
在第二磁隧道结2’中选择性地传递加热电流31；以及
切换第二磁隧道结2’的存储磁化强度230以便写入具有状态“1”或“0”的第二写数据。
切换第一磁隧道结2的存储磁化强度230可以通过在第一电流线4中传递第一场电流41来执行。切换第二磁隧道结2’的存储磁化强度230也可以通过在具有与第一场电流4的极性相反的极性的第一电流线4中传递第二场电流41’来执行。替代地，第二场电流41可以在第二电流线4’中传递。这里，针对第一磁隧道结2和第二磁隧道结2’顺序执行写入第一和第二写数据。
具有图2的配置的基于MRAM的TCAM元件1的自参考型搜索操作可以包括与上面描述的相同的步骤。对准搜索磁化强度210可以通过在第一电流线4中传递搜索电流51来执行，以便生成搜索磁场52。
磁存储器设备(未示出)可以通过装配包括多个基于MRAM的TCAM单元1的阵列来形成。基于MRAM的TCAM单元1的阵列可以被置于设备封装内(同样未示出)。
参考标记
1磁随机存取存储器(MRAM)单元
2第一磁隧道结
2’第二磁隧道结
21搜索层
210感测磁化强度
22隧道阻挡层
23存储层
230存储磁化强度
3传导线
31加热电流
32搜索电流
4第一电流线
4’第二电流线
41第一场电流
41’第二场电流
42第一磁场
42’第二磁场
51搜索电流
52搜索磁场
7第一导电带
7’第二导电带
8第一选择晶体管
8’第二选择晶体管
9第一场选择晶体管
9’第二场选择晶体管
ΔR第一单元阻抗和第二单元阻抗之间的差值
RC1第一单元阻抗
RC2第二单元阻抗
Rmin最小值结阻抗Rmax最大值结阻抗Rmtj1第一结阻抗Rmtj2第二结阻抗
Claims (15)
1.基于自参考型磁随机存取存储器的三态内容可寻址存储器(基于MRAM的TCAM)单元，包括：
第一和第二磁隧道结，每个磁隧道结包括：搜索层，其具有可以被自由改变的搜索磁化强度；存储层，其具有当该磁隧道结处于高温阈值时可以从第一稳定方向切换到第二稳定方向的存储磁化强度；以及隧道阻挡层，其在该搜索层和该存储层之间；
第一导电带，其与第一磁隧道结的一端电连通；
第二导电带，其与第二磁隧道结的一端电连通；
传导线，其与第一和第二磁隧道结的另一端电连通，使得两个磁隧道结被串联连接；
第一电流线，用于传递生成第一磁场的第一场电流，以将第一写数据写入到该第一磁隧道结；以及
第二电流线，用于独立于在该第一电流线中传递该第一场电流来传递写电流，以选择性地根据该第一写数据的写入将第二写数据写入到该第二磁隧道结，使得三个不同的单元逻辑状态可以被写入在基于MRAM的TCAM单元中。
2.根据权利要求1的基于MRAM的TCAM单元，其中，该写电流包括生成第二磁场的第二场电流。
3.根据权利要求2的基于MRAM的TCAM单元，其中，该写电流进一步包括加热电流，且其中该单元被布置用于经由该传导线、该第一带、以及该第二带，在该两个磁隧道结中传递该加热电流，使得该两个磁隧道结可以在该高温阈值下被同时加热。
4.根据权利要求1的基于MRAM的TCAM单元，其中，该写电流包括加热电流，且其中该第二电流线被电连接到该传导线，使得该加热电流可以经由该传导线的一部分和该第二电流线，在该两个磁隧道结的每一个中选择性地传递，使得该两个磁隧道结的每一个可以被选择性地加热。
5.根据权利要求4的基于MRAM的TCAM单元，其中，该写电流进一步包括第二场电流，且其中该单元被布置用于在该第一电流线中传递该第二场电流。
6.一种磁存储器设备，包括多个基于MRAM的TCAM单元，每个基于MRAM的TCAM单元包括第一和第二磁隧道结，每个磁隧道结包括：搜索层，其具有可以被自由改变的搜索磁化强度；存储层，其具有当该磁隧道结处于高温阈值时可以从第一稳定方向切换到第二稳定方向的存储磁化强度；以及隧道阻挡层，其在该搜索层和存储层之间；第一导电带，其与该第一磁隧道结的一端电连通；第二导电带，其与该第二磁隧道结的一端电连通；传导线，其与该第一和第二磁隧道结的另一端电连通，使得该两个磁隧道结被串联连接；第一电流线，用于传递生成第一磁场的第一场电流，以将第一写数据写入到该第一磁隧道结；以及第二电流线，用于独立于在该第一电流线中传递该第一场电流来传递写电流，以选择性地根据该第一写数据的写入将第二写数据写入到该第二磁隧道结，使得三个不同的单元逻辑状态可以被写入在基于MRAM的TCAM单元中。
7.一种写入到基于MRAM的TCAM单元的方法，所述基于MRAM的TCAM单元包括第一和第二隧道结，每个磁隧道结包括：搜索层，其具有可以被自由改变的搜索磁化强度；存储层，其具有当该磁隧道结处于高温阈值时可以从第一稳定方向切换到第二稳定方向的存储磁化强度；以及隧道阻挡层，其在该搜索层和存储层之间；第一导电带，其与该第一磁隧道结的一端电连通；第二导电带，其与该第二磁隧道结的一端电连通；传导线，其与该第一和第二磁隧道结的另一端电连通，使得该两个磁隧道结被串联连接；第一电流线，用于传递生成第一磁场的第一场电流，以将第一写数据写入到该第一磁隧道结；以及第二电流线，用于独立于在该第一电流线中传递该第一场电流来传递写电流，以选择性地根据该第一写数据的写入将第二写数据写入到该第二磁隧道结，使得三个不同的单元逻辑状态可以被写入在基于MRAM的TCAM单元中；
该方法包括：
将第一写数据选择性地写入到该第一磁隧道结并且将第二写数据选择性地写入到该第二磁隧道结，以便在该基于MRAM的TCAM单元中写入单元逻辑状态。
8.根据权利要求7的方法，其中所述写电流包括生成第二磁场的第二场电流，且其中所述将第一和第二写数据分别选择性地写入到该第一和第二磁隧道结，包括：
将该第一和第二磁隧道结加热到该高温阈值；以及
在该第一电流线中传递具有第一极性的该第一场电流，用于根据该第一极性切换该第一磁隧道结的存储磁化强度；以及在该第二电流线中传递具有第二极性的该第二场电流，用于根据该第二极性切换该第二磁隧道结的存储磁化强度。
9.根据权利要求8的方法，其中，所述写电流进一步包括加热电流，且其中所述加热该第一和第二磁隧道结包括经由该传导线、该第一带、以及该第二带在两个磁隧道结中传递该加热电流。
10.根据权利要求7的方法，其中所述写电流包括加热电流，且所述第二电流线与该传导线电连接；且其中所述将第一和第二写数据分别选择性地写入到该第一和第二磁隧道结，包括：
将该第一磁隧道结选择性地加热到该高温阈值；
在该第一电流线中传递具有第一极性的该第一场电流，用于根据该第一极性切换该第一磁隧道结的存储磁化强度；
将该第二磁隧道结选择性地加热到该高温阈值；以及
在该第一电流线中传递具有第二极性的第二场电流，用于根据该电流极性切换该第二磁隧道结的存储磁化强度。
11.根据权利要求10的方法，其中所述选择性地加热该第一磁隧道结包括经由该第二电流线、该传导线的第一部分、以及该第一带在该第一磁隧道结中传递该加热电流，以及所述选择性地加热该第二磁隧道结包括经由该第二电流线、该传导线的第二部分、以及该第二带在该第二磁隧道结中传递该加热电流。
12.根据权利要求8的方法，其中该第一极性与该第二极性相同，以便在该基于MRAM的TCAM单元中写入高(“1”)或低(“0”)单元逻辑状态；或者该第一极性与该第二极性相反，以便在该基于MRAM的TCAM单元中写入无关(“X”)单元状态逻辑状态。
13.搜索基于MRAM的TCAM单元的方法，所述基于MRAM的TCAM单元包括第一和第二磁隧道结，每个磁隧道结包括：搜索层，其具有可以被自由改变的搜索磁化强度；存储层，其具有当该磁隧道结处于高温阈值时可以从第一稳定方向切换到第二稳定方向的存储磁化强度；以及隧道阻挡层，其在该搜索层和存储层之间；第一导电带，其与该第一磁隧道结的一端电连通；第二导电带，其与该第二磁隧道结的一端电连通；传导线，其与该第一和第二磁隧道结的另一端电连通，使得该两个磁隧道结被串联连接；第一电流线，用于传递生成第一磁场的第一场电流，以将第一写数据写入到该第一磁隧道结；以及第二电流线，用于独立于在该第一电流线中传递该第一场电流来传递写电流，以选择性地根据该第一写数据的写入将第二写数据写入到该第二磁隧道结，使得三个不同的单元逻辑状态可以被写入在基于MRAM的TCAM单元中，
该方法包括：
在第一搜索方向上对准该第一和第二磁隧道结的搜索磁化强度；
测量第一单元阻抗；
在第二搜索方向上对准该第一和第二磁隧道结的搜索磁化强度；
测量第二单元阻抗；以及
通过该第一和第二单元阻抗之间的差值确定该单元逻辑状态。
14.根据权利要求13的方法，其中所述在第一搜索方向上对准该搜索磁化强度包括在第一和/或第二电流线中传递具有第一极性的搜索电流，且其中
所述在第二搜索方向上对准该搜索磁化强度包括在该第一和/或第二电流线中传递具有与该第一极性相反的第二极性的搜索电流。
15.根据权利要求13的方法，其中所述测量第一和第二单元阻抗包括经由该传导线以及该第一和第二带在该第一和第二磁隧道结中传递搜索电流。
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