CN105609130A - 具有内容寻址功能的mram芯片及内容寻址方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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NORFlash也有优势，比嵌入式NORFlash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(MagneticTunnelJunction，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(WordLine)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(ContentAddressableMemory，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。
由于MRAM的原理与DRAM完全不同，因此无法采用类似的设计实现内容寻址功能。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有内容寻址功能的MRAM芯片，搜索速度比软件搜索快得多；由于只需要在每个阵列外增加一部分电路，因而是费效比很高的方案。
本发明还提供上述MRAM芯片的内容寻址操作方法及一种SOC芯片。
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。
本发明提供的MRAM芯片，与每个阵列相连的控制电路增加了比较器与搜索控制器，以实现MRAM芯片的内容寻址功能，因此搜索速度比软件搜索快得多。
由于只需要对于每个阵列增加一部分电路，而不像现有技术中增加每一个存储单元的面积，因而是费效比很高的方案。
进一步地，比较器包括对应于每一根位线的比较单元，比较单元用于比较该位线上读出的位与搜索字相应的位。
进一步地，每个比较单元的输入包括读写控制器读出的位、搜索字的位以及屏蔽字的位。
进一步地，搜索控制器从MRAM芯片的第一约定地址段获取系统主控CPU输入的搜索字、起始地址与结束地址，系统主控CPU与搜索控制器通过第一约定地址段传送内容寻址操作需要的相关信息。
进一步地，搜索控制器从MRAM芯片的第二约定地址段获取系统主控CPU输入的屏蔽字，用于屏蔽对阵列中读出的内容的部分位的比较，使得搜索更灵活，搜索字的长度可以与阵列的一行的长度不同，例如阵列的一行的长度为64位，搜索字的长度可以是8位、16位或32位。
进一步地，比较器将比较结果写入MRAM芯片的第三约定地址段，比较结果为存储内容与搜索字相符的行的地址，系统主控CPU从MRAM芯片的第三约定地址段获取内容寻址的结果。
进一步地，搜索控制器从MRAM芯片的第四约定地址段获取系统主控CPU输入的搜索选项，搜索选项用于搜索控制器控制内容寻址操作在搜索到第一个结果时立即结束，在某些应用中，例如缓存标签，一个搜索字只可能存在于一个地址，搜索到第一个结果时立即结束以减少后续不必要的操作，进一步提高搜索速度。
进一步地，多个阵列的内容寻址操作是并行的，进一步提高搜索速度。
进一步地，阵列中的行的长度是所述搜索字的长度的整数倍，能够进行并行的比较和搜索。
本发明还提供一种上述MRAM芯片的内容寻址操作方法，包括以下步骤：
(1)搜索控制器收到搜索指令后，驱动行地址解码器，打开地址区域中的第一行，驱动列地址解码器打开该行的所有位线；
(2)读写控制器读出该行的内容；
(3)比较器比较内容与搜索字，如果二者相符，输出该行的地址，执行步骤(5)或执行步骤(4)；
(4)如果下一行的地址超出地址区域，执行步骤(5)；否则搜索控制器驱动行地址解码器，打开该行，驱动列地址解码器打开该行的所有位线，执行步骤(2)；
(5)内容寻址操作结束。
进一步地，步骤(1)中的地址区域的起始地址与结束地址，为搜索控制器从MRAM芯片的第一约定地址段获取的起始地址与结束地址。
进一步地，如果搜索控制器从MRAM芯片的第二约定地址段获取屏蔽字，步骤(3)中比较器比较所述内容与搜索字时，只对没有被屏蔽的位进行比较。
进一步地，如果搜索控制器从MRAM芯片的第四约定地址段获取搜索选项，步骤(3)中输出该行的地址后执行步骤(5)；如果搜索控制器从MRAM芯片的第四约定地址段未获取搜索选项，执行步骤(4)。
本发明还提供一种SOC芯片，集成了上述MRAM芯片。
与现有技术相比，本发明提供的MRAM芯片及内容寻址操作方法，具有以下有益效果：
(1)搜索速度比软件搜索快得多，一个时钟周期内就可以完成对每个阵列上的整行内容的搜索，速度可以比软件搜索快几十倍到一百倍；多个阵列的内容寻址操作是并行的，进一步提高搜索速度；
(2)由于实现电路比较简单，完成同样搜索的耗电大大降低，非常适用于对待机功耗要求很严格的物联网和可穿戴电子设备等领域；
(3)实现内容寻址功能不需要增加每一个存储单元的面积，只需要在每个阵列外增加一部分电路，总面积增加很少，只增加15％左右，因而是费效比很高的方案。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是磁性隧道结的低电阻态示意图；
图2是磁性隧道结的高电阻态示意图；
图3是MRAM存储单元；
图4是现有技术中的MRAM芯片的结构示意图；
图5是本发明的一个实施例的MRAM芯片的结构示意图；
图6是图5所示的MRAM芯片的比较器的比较单元的示意图。
具体实施方式
如图4所示，现有技术中的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。
在MRAM芯片中搜索存储内容，只能在主机软件的控制下，按地址顺序逐一读出内存中的内容进行比较，非常耗时。
每搜索MRAM芯片中的一个地址需要执行不少于5条指令。
(1)从该地址读取数据；
(2)比较读取的数据与搜索字；
(3)综合比较结果与屏蔽字；
(4)如果比较结果不一致，地址指针递增准备搜索下一个地址；
(5)如果地址达到结束地址，搜索结束。
如图5所示，本发明的一个实施例的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。
本发明提供的MRAM芯片，与每个阵列相连的控制电路增加了比较器与搜索控制器，以实现MRAM芯片的内容寻址功能，因此搜索速度比软件搜索快得多。
由于只需要对于每个阵列增加一部分电路，而不像现有技术中增加每一个存储单元的面积，因而是费效比很高的方案。
比较器包括对应于每一根位线的比较单元，比较单元用于比较该位线上读出的位与搜索字相应的位。
如图6所示，每个比较单元的输入包括读写控制器读出的位与搜索字的位，如果读出的位与搜索字的位相同，输出的位为1；如果读出的位与搜索字的位不相同，输出的位为0。(当然也可以相同时输出的位为0，本发明对此不作限制)。
比较单元的输入还包括屏蔽字的位，当屏蔽字的位为1时，不对该位进行比较，输出永远是1。
当比较结果是每个位被比较的结果都是1时，得到一个符合的搜索结果，把该地址输出到第三约定地址段。
从图5、图6也可以看出，实现电路比较简单，完成同样搜索的耗电大大降低，非常适用于对待机功耗要求很严格的物联网和可穿戴电子设备等领域。
搜索控制器从MRAM芯片的第一约定地址段获取系统主控CPU输入的搜索字、起始地址与结束地址，系统主控CPU与搜索控制器通过第一约定地址段传送内容寻址操作需要的相关信息。
搜索控制器从MRAM芯片的第二约定地址段获取系统主控CPU输入的屏蔽字，用于屏蔽对阵列中读出的内容的部分位的比较，使得搜索更灵活，搜索字的长度可以与阵列的一行的长度不同，例如阵列的一行的长度为64位，搜索字的长度可以是8位、16位或32位。
比较器将比较结果写入MRAM芯片的第三约定地址段，比较结果为存储内容与搜索字相符的行的地址，系统主控CPU从MRAM芯片的第三约定地址段获取内容寻址的结果。
搜索控制器从MRAM芯片的第四约定地址段获取系统主控CPU输入的搜索选项，搜索选项用于搜索控制器控制内容寻址操作在搜索到第一个结果时立即结束，在某些应用中，例如缓存标签，一个搜索字只可能存在于一个地址，搜索到第一个结果时立即结束以减少后续不必要的操作，进一步提高搜索速度
多个阵列的内容寻址操作是并行的，进一步提高搜索速度。
阵列中的行的长度是所述搜索字的长度的整数倍，能够进行并行的比较和搜索。
本发明还提供一种上述MRAM芯片的内容寻址操作方法，包括以下步骤：
(1)搜索控制器收到搜索指令后，驱动行地址解码器，打开地址区域中的第一行，驱动列地址解码器打开该行的所有位线；
(2)读写控制器读出该行的内容；
(3)比较器比较内容与搜索字，如果二者相符，输出该行的地址；
(4)如果下一行的地址超出地址区域，执行步骤(5)；否则搜索控制器驱动行地址解码器，打开该行，驱动列地址解码器打开该行的所有位线，执行步骤(2)；
(5)内容寻址操作结束。
步骤(1)中的地址区域的起始地址与结束地址，为搜索控制器从MRAM芯片的第一约定地址段获取的起始地址与结束地址。
如果搜索控制器从MRAM芯片的第二约定地址段获取屏蔽字，步骤(3)中比较器比较所述内容与搜索字时，只对没有被屏蔽的位进行比较。
搜索控制器从MRAM芯片的第四约定地址段获取搜索选项，搜索选项用于搜索控制器控制内容寻址操作在搜索到第一个结果时立即结束，在某些应用中，例如缓存标签，一个搜索字只可能存在于一个地址，搜索到第一个结果时立即结束以减少后续不必要的操作，进一步提高搜索速度。
本实施例的MRAM芯片的内容寻址操作方法，当搜索到第一个结果时结束，包括以下步骤：
(1)搜索控制器收到搜索指令后，驱动行地址解码器，打开地址区域中的第一行，驱动列地址解码器打开该行的所有位线；
(2)读写控制器读出该行的内容；
(3)比较器比较内容与搜索字，如果二者相符，输出该行的地址，执行步骤(5)；
(4)如果下一行的地址超出地址区域，执行步骤(5)；否则搜索控制器驱动行地址解码器，打开该行，驱动列地址解码器打开该行的所有位线，执行步骤(2)；
(5)内容寻址操作结束。
本发明还提供一种SOC芯片，集成了上述MRAM芯片。
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，一个时钟周期内就可以完成对每个阵列上的整行内容的搜索，速度可以比软件搜索快几十倍到一百倍；多个阵列的内容寻址操作是并行的，进一步提高搜索速度；由于实现电路比较简单，完成同样搜索的耗电大大降低，非常适用于对待机功耗要求很严格的物联网和可穿戴电子设备等领域；实现内容寻址功能不需要增加每一个存储单元的面积，只需要在每个阵列外增加一部分电路，总面积增加很少，因而是费效比很高的方案。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (14)
1.一种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，所述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，其特征在于，所述控制电路还包括比较器与搜索控制器，所述比较器用于比较从阵列中读出的内容与搜索字，所述搜索控制器用于控制内容寻址操作。
2.如权利要求1所述的MRAM芯片，其特征在于，所述比较器包括对应于每一根位线的比较单元，所述比较单元用于比较该位线上读出的位与所述搜索字相应的位。
3.如权利要求2所述的MRAM芯片，其特征在于，每个比较单元的输入包括读写控制器读出的位、搜索字的位以及屏蔽字的位。
4.如权利要求1所述的MRAM芯片，其特征在于，搜索字所述搜索控制器从所述MRAM芯片的第一约定地址段获取系统主控CPU输入的所述搜索字、起始地址与结束地址。
5.如权利要求1所述的MRAM芯片，其特征在于，所述搜索控制器从所述MRAM芯片的第二约定地址段获取系统主控CPU输入的屏蔽字，用于屏蔽对阵列中读出的内容的部分位的比较。
6.如权利要求1所述的MRAM芯片，其特征在于，所述比较器将比较结果写入所述MRAM芯片的第三约定地址段，所述比较结果为存储内容与搜索字相符的字的地址。
7.如权利要求1所述的MRAM芯片，其特征在于，所述搜索控制器从所述MRAM芯片的第四约定地址段获取系统主控CPU输入的搜索选项，所述搜索选项用于所述搜索控制器控制内容寻址操作在搜索到第一个结果时立即结束。
8.如权利要求1所述的MRAM芯片，其特征在于，多个阵列的内容寻址操作是并行的。
9.如权利要求1所述的MRAM芯片，其特征在于，阵列中的行的长度是所述搜索字的长度的整数倍，能够进行并行的比较和搜索。
10.一种如权利要求1-9所述的MRAM芯片的内容寻址操作方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)搜索控制器收到搜索指令后，驱动行地址解码器，打开地址区域中的第一行，驱动列地址解码器打开该行的所有位线；
(2)读写控制器读出该行的内容；
(3)比较器比较所述内容与搜索字，如果二者相符，输出该行的地址，执行步骤(5)或执行步骤(4)；
(4)如果下一行的地址超出地址区域，执行步骤(5)；否则所述搜索控制器驱动行地址解码器，打开该行，驱动列地址解码器打开该行的所有位线，执行步骤(2)；
(5)内容寻址操作结束。
11.如权利要求10所述的MRAM芯片的内容寻址操作方法，其特征在于，步骤(1)中的地址区域的起始地址与结束地址，为所述搜索控制器从MRAM芯片的第一约定地址段获取的起始地址与结束地址。
12.如权利要求10所述的MRAM芯片的内容寻址操作方法，其特征在于，如果搜索控制器从MRAM芯片的第二约定地址段获取屏蔽字，步骤(3)中比较器比较所述内容与搜索字时，只对没有被屏蔽的位进行比较。
13.如权利要求10所述的MRAM芯片的内容寻址操作方法，其特征在于，如果搜索控制器从MRAM芯片的第四约定地址段获取搜索选项，步骤(3)中输出该行的地址后执行步骤(5)；如果搜索控制器从MRAM芯片的第四约定地址段未获取搜索选项，执行步骤(4)。
14.一种SOC芯片，其特征在于，所述SOC芯片集成了权利要求1-9任一项所述的MRAM芯片。
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