JP2013034040A - Nonvolatile flip-flop and nonvolatile latch - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、抵抗変化型素子を利用した不揮発性フリップフロップおよび不揮発性ラッチに関する。 The present invention relates to a nonvolatile flip-flop and a nonvolatile latch using a resistance variable element.
LSIでは、トランジスタの微細化が進むにつれ、サブスレッショルドリーク電流だけではなく、ゲートリークも増加する傾向となってきている。また、これらのリーク電流は、LSIの高密度化が進むに連れて増加する。従って、LSI全体の消費電流が増加することとなる。そこで、消費電流を下げるために低電圧化、ゲーティッドクロック化などさまざまな消費電流削減策が行われてきた。さらなる低消費電力化を目指すには、動作しないブロックの電源遮断を行い、必要な時に電源を入れるといった方法が考えられている。しかしながら、LSIに用いられているラッチやフリップフロップ等の記憶素子は、揮発性の記憶素子であり、電源を遮断すると記憶情報が消えてしまう問題がある。 In the LSI, as the transistor becomes finer, not only the subthreshold leakage current but also the gate leakage tends to increase. Further, these leakage currents increase as the LSI density increases. Therefore, the current consumption of the entire LSI increases. In order to reduce current consumption, various current consumption reduction measures such as low voltage and gated clock have been taken. In order to achieve further reduction in power consumption, a method is considered in which the power of a block that does not operate is cut off and the power is turned on when necessary. However, storage elements such as latches and flip-flops used in LSIs are volatile storage elements, and there is a problem that stored information is lost when the power is turned off.
そこで、ラッチやフリップフロップ等に強誘電体キャパシタからなる不揮発性記憶素子を追加した集積回路が提案されている(例えば特許文献1参照)。しかし、不揮発性記憶素子として強誘電体キャパシタを用いると、微細化により読み出しマージンが低下する問題がある。 Therefore, an integrated circuit in which a nonvolatile memory element made of a ferroelectric capacitor is added to a latch, a flip-flop, or the like has been proposed (see, for example, Patent Document 1). However, when a ferroelectric capacitor is used as a nonvolatile memory element, there is a problem that a read margin is reduced due to miniaturization.
不揮発性記憶素子としては、強誘電体キャパシタの他に抵抗変化型素子がある。図26(a)および(b)は、抵抗変化型素子として代表的なMTJ(Magnetic Tunnel Junction;磁気トンネル接合)素子を利用したメモリセルの構成と動作を示す図である。図26(a)および(b)に示すように、MTJ素子は、磁気の方向が一定のピン層と、トンネルバリア膜と、磁気の方向が変化するフリー層とからなる。図26(a)に示すように、フリー層からピン層に向かう方向の電流を流すと、フリー層の磁化方向がピン層と同一となり、MTJ素子は低抵抗となり、データ“0”を記憶した状態となる。逆に、図26(b)に示すように、ピン層からフリー層に向かう方向の電流を流すと、フリー層の磁化方向がピン層と反対になり、MTJ素子は高抵抗となり、データ“1”を記憶した状態になる。このようなMTJ素子によりメモリセルを構成する場合には、図26(a)および(b)に例示するように、MTJ素子を選択するためのスイッチとして、トランジスタTsがMTJ素子に直列接続される。 Nonvolatile memory elements include resistance change elements in addition to ferroelectric capacitors. FIGS. 26A and 26B are diagrams showing the configuration and operation of a memory cell using a typical MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element as a resistance variable element. As shown in FIGS. 26A and 26B, the MTJ element includes a pinned layer having a constant magnetic direction, a tunnel barrier film, and a free layer whose magnetic direction changes. As shown in FIG. 26A, when a current in the direction from the free layer to the pinned layer is passed, the magnetization direction of the free layer becomes the same as that of the pinned layer, the MTJ element becomes low resistance, and data “0” is stored. It becomes a state. On the other hand, as shown in FIG. 26B, when a current in the direction from the pinned layer toward the free layer is passed, the magnetization direction of the free layer is opposite to that of the pinned layer, the MTJ element becomes high resistance, and data “1” "Is stored. When a memory cell is configured with such an MTJ element, a transistor Ts is connected in series to the MTJ element as a switch for selecting the MTJ element, as illustrated in FIGS. .
図27は、図26(a)および(b)に示すようなメモリセルにより構成されたメモリアレイの断面構造を例示する図である。図27に示す例では、半導体基板に図26(a)および(b)に示す選択用のトランジスタTsが形成されている。各トランジスタTsのゲートには選択電圧WLが与えられる。また、トランジスタTsのソースは、スルーホールと第1層メタル配線1Mとを介して書込電圧BLを供給するための第2層メタル配線2Mに接続されている。また、トランジスタTsのドレインは、スルーホールを介してMTJ素子のピン層に接続され、このMTJ素子のフリー層はスルーホールを介してソース電圧SLを供給するための第2層メタル配線2Mに接続されている。
FIG. 27 is a diagram illustrating a cross-sectional structure of a memory array including memory cells as shown in FIGS. 26 (a) and 26 (b). In the example shown in FIG. 27, the selection transistor Ts shown in FIGS. 26A and 26B is formed on a semiconductor substrate. A selection voltage WL is applied to the gate of each transistor Ts. The source of the transistor Ts is connected to the second
そして、特許文献2には、このようなMTJ素子を用いて、書き換え可能な不揮発性ラッチおよびフリップフロップを構成する提案がある。図28は、この特許文献2の図3に示された不揮発性ラッチを示す回路図である。図28では、トランスファゲートTMG1およびTMG2とNORゲート10および20とにより周知のラッチが構成されている。そして、NORゲート10のPチャネルトランジスタ11のソースにMTJ素子R1の一端が、NORゲート20のPチャネルトランジスタ21のソースにMTJ素子R2の一端が接続されており、このMTJ素子R1およびR2の他端同士の接続点と電源Vddとの間にPチャネルトランジスタTr1が介挿されている。また、Pチャネルトランジスタ11とMTJ素子R1との接続点にはトランスファゲートTMG3を介してデータDが与えられるようになっており、Pチャネルトランジスタ21とMTJ素子R2との接続点にはトランスファゲートTMG4を介してデータDBが与えられるようになっている。さらにPチャネルトランジスタ11およびMTJ素子R1の接続点と電源Vddとの間にはPチャネルトランジスタTr2が介挿され、Pチャネルトランジスタ21およびMTJ素子R2の接続点と電源Vddとの間にはPチャネルトランジスタTr3が介挿されている。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228867 proposes a rewritable nonvolatile latch and flip-flop using such an MTJ element. FIG. 28 is a circuit diagram showing the nonvolatile latch shown in FIG. In FIG. 28, the transfer gates TMG1 and TMG2 and the
以上の構成において、入力データDおよびDBをMTJ素子R1およびR2に書き込む場合、PチャネルトランジスタTr1、Tr2、Tr3、12、22をOFFとし、Nチャネルトランジスタ13、23をONにする。これにより、入力データDおよびDBの値に応じてMTJ素子R1およびR2にそれぞれ反対方向の電流が流れ、MTJ素子R1およびR2はそれぞれ異なった抵抗値へと変化する。この抵抗値はMTJ素子の不揮発性により保持されるため、このラッチの電源を遮断してもデータが失われることはない。
In the above configuration, when the input data D and DB are written to the MTJ elements R1 and R2, the P-channel transistors Tr1, Tr2, Tr3, 12, and 22 are turned off and the N-
記憶させたデータを読み出す操作は、電源を投入した後、1)プリチャージ動作、2)読み出し動作の2段階で行う。 The operation of reading the stored data is performed in two stages: 1) precharge operation and 2) read operation after the power is turned on.
まず1)プリチャージする場合は、PチャネルトランジスタTr1、Tr2、Tr3、12、22をOFF、Nチャネルトランジスタ13、23をONにする。これにより、NORゲート10、20の出力信号は“0”となりクロスカップルされたNORゲート10および20の両方のノードA、Bはどちらも等しく、“0”にプリチャージされる。
First, in the case of 1) precharging, the P-channel transistors Tr1, Tr2, Tr3, 12, 22 are turned off and the N-
続いて2)読み出し動作として、制御信号NV_RWだけ“1”から“0”へと状態変化させる。するとクロスカップルされたNORゲート10、20はクロスカップルされたインバータの動作をし、MTJ素子R1、R2の抵抗値に応じた遅延の差によりクロスカップルされたNORゲート10、20のノードA、Bの値が“1”かまたは“0”に決定される。このノードA、Bの値が記憶させた状態Q、QBに相当することになる。
Subsequently, 2) as a read operation, the state of the control signal NV_RW is changed from “1” to “0”. Then, the
ところで、上述した特許文献2に開示された不揮発性ラッチでは、NORゲート10および20とトランスファゲートTMG1およびTMG2からなるラッチ部に記憶されたデータQおよびQBを直接的にMTJ素子R1およびR2に書き込むことができない。ラッチ部のデータQおよびQBをMTJ素子R1およびR2に書き込むためには、このデータQおよびQBを読み出して、その後、トランスファゲートTMG3およびTMG4に与える必要がある。従って、揮発性のラッチ部に記憶されたデータをMTJ素子R1およびR2に書き込むストア動作を行わせるための制御が複雑になるという問題がある。また、特許文献2に開示された不揮発性ラッチでは、MTJ素子R1およびR2に記憶されたデータを読み出して揮発性のラッチ部に保持させるリコール動作を行う際に、まず、信号NV_RWをHレベルとして、NORゲート10の出力ノードBとNORゲート20の出力ノードAを0Vにプリチャージする。その後、信号NV_RWをLレベルとしてPチャネルトランジスタ12および22をONさせ、MTJ素子R1およびR2に記憶されたデータの読み出しを行わせる。その際に、クロスカップルしているPチャネルトランジスタ11および21の閾値のバラツキの影響により、ノードAおよびBの挙動が不安定となり、MTJ素子R1およびR2の抵抗値の大小関係を反映した適切なデータが揮発性ラッチ部に保持されない可能性がある。さらには、特許文献2の不揮発性ラッチでは、出力ノードQおよび出力ノードQBの負荷容量に対しては言及していないが、実際には、出力ノードQおよびQBには、大きな容量が介在しており、また、使われ方によっては、出力ノードQと出力ノードQBとで負荷容量がアンバランスになることが想定される。このような場合には、リコール動作が不安定になることが懸念される。このように特許文献2の不揮発性ラッチは、ストア動作を行わせるための制御が複雑であり、リコール動作が不安定になる問題があった。また、特許文献2の不揮発性ラッチは、ストアおよびリコールの際にMTJ素子R1およびR2に流す電流を適正化するための手段を有していないため、誤書き込みや誤読み出しを有効に防止することができないという問題があった。
By the way, in the nonvolatile latch disclosed in the above-mentioned
この発明は以上説明した事情に鑑みてなされたものであり、その第1の目的は、揮発性記憶部から不揮発性記憶部へ記憶データを書き込むストアと、不揮発性記憶部の記憶データを読み出して揮発性記憶部に記憶させるリコールの動作を容易かつ安定に行わせることができる不揮発性フリップフロップおよび不揮発性ラッチを提供することにある。また、この発明の第2の目的は、不揮発性フリップフロップおよび不揮発性ラッチにおいて、素子の特性ばらつきの影響により誤書き込み、誤読み出しが発生するのを防止することにある。また、この発明の第3の目的は、少ない素子数(あるいは少ない所要面積)により実現可能な高速かつ高性能の不揮発性フリップフロップおよび不揮発性ラッチを提供することにある。 The present invention has been made in view of the circumstances described above. The first object of the present invention is to store the storage data from the volatile storage unit to the nonvolatile storage unit, and to read the storage data of the nonvolatile storage unit. An object of the present invention is to provide a nonvolatile flip-flop and a nonvolatile latch capable of easily and stably performing a recall operation stored in a volatile storage unit. A second object of the present invention is to prevent erroneous writing and erroneous reading from occurring due to the influence of variations in element characteristics in the nonvolatile flip-flop and the nonvolatile latch. A third object of the present invention is to provide a high-speed and high-performance nonvolatile flip-flop and nonvolatile latch that can be realized with a small number of elements (or a small required area).
この発明は、マスターラッチ部とスレーブラッチ部とからなる揮発性フリップフロップ部と、不揮発性記憶部とを有し、前記スレーブラッチ部は、互いに相手の出力信号を各々に対する入力信号とする第1および第2のインバータを含み、クロックに同期して前記マスターラッチ部から入力データを取り込む動作と取り込んだ入力データを前記第1および第2のインバータにより保持する動作を行うものであり、前記不揮発性記憶部は、前記第1のインバータの出力ノードと共通ノードとの間に直列に介挿された第1のスイッチおよび第1の抵抗変化型素子と、前記第2のインバータの出力ノードと前記共通ノードとの間に直列に介挿された第2のスイッチおよび第2の抵抗変化型素子と、前記共通ノードと基準ノードとの間に介挿された第3のスイッチとを有し、前記第1および第2の抵抗変化型素子は、前記第1および第2のスイッチがON、前記第3のスイッチがOFFとされた状態において、前記第1のインバータの出力ノードから前記第2のインバータの出力ノードに向かう電流が流れたとき、前記第1の抵抗変化型素子の抵抗値が第1の方向に、前記第2の抵抗変化型素子の抵抗値が前記第1の方向と逆方向の第2の方向に各々変化し、前記第2のインバータの出力ノードから前記第1のインバータの出力ノードに向かう電流が流れたとき、前記第1の抵抗変化型素子の抵抗値が前記第2の方向に、前記第2の抵抗変化型素子の抵抗値が前記第1の方向に各々変化する抵抗変化型素子であることを特徴とする不揮発性フリップフロップを提供する。 The present invention includes a volatile flip-flop unit composed of a master latch unit and a slave latch unit, and a non-volatile storage unit. The slave latch unit uses each other's output signal as an input signal for each other. And a second inverter, which performs an operation of capturing input data from the master latch unit in synchronization with a clock and an operation of retaining the captured input data by the first and second inverters. The storage unit includes a first switch and a first variable resistance element inserted in series between an output node of the first inverter and a common node, and an output node of the second inverter and the common node. A second switch and a second resistance variable element inserted in series with the node, and a second switch inserted between the common node and the reference node. The first and second variable resistance elements have the first inverter in a state where the first and second switches are ON and the third switch is OFF. When a current flows from the output node to the output node of the second inverter, the resistance value of the first variable resistance element is in the first direction, and the resistance value of the second variable resistance element is The first resistance variable element is changed when a current flows from the output node of the second inverter to the output node of the first inverter, each changing in a second direction opposite to the first direction. A nonvolatile variable flip-flop, wherein the resistance value of the second variable resistance element changes in the second direction and the resistance value of the second variable resistance element changes in the first direction. .
この発明では、第1および第2のスイッチをOFFとすることにより、揮発性記憶部をスレーブラッチ部から切り離し、揮発性フリップフロップ部を通常のフリップフロップとして動作させることができる。従って、通常のフリップフロップと同様に高速動作させることが可能である。 In the present invention, by turning off the first and second switches, the volatile storage unit can be disconnected from the slave latch unit, and the volatile flip-flop unit can be operated as a normal flip-flop. Therefore, it is possible to operate at high speed like a normal flip-flop.
また、この発明では、第1および第2のスイッチをON、第3のスイッチをOFFにすると、第1のインバータの出力電圧と第2のインバータの出力電圧との高低関係に応じて、第1のインバータの出力ノードから第2のインバータの出力ノードに向かう方向の電流またはその逆方向の電流が第1および第2の抵抗変化型素子に流れる。この結果、第1および第2の抵抗変化型素子の抵抗値の大小関係が第1のインバータの出力電圧と第2のインバータの出力電圧との高低関係に対応した大小関係となる。このように本発明による不揮発性フリップフロップでは、第1および第2の抵抗変化型素子の抵抗値の大小関係をスレーブラッチ部に記憶されたデータに応じた大小関係とするストア動作を行うことができる。 In the present invention, when the first and second switches are turned on and the third switch is turned off, the first and second switches are turned on according to the level relationship between the output voltage of the first inverter and the output voltage of the second inverter. Current flowing in the direction from the output node of the inverter toward the output node of the second inverter or in the opposite direction flows through the first and second resistance variable elements. As a result, the magnitude relationship between the resistance values of the first and second variable resistance elements is a magnitude relationship corresponding to the magnitude relationship between the output voltage of the first inverter and the output voltage of the second inverter. As described above, in the nonvolatile flip-flop according to the present invention, a store operation can be performed in which the magnitude relationship between the resistance values of the first and second variable resistance elements is changed according to the data stored in the slave latch unit. it can.
また、この発明では、第1および第2のスイッチをON、第3のスイッチをONとし、揮発性フリップフロップ部の電源電圧を立ち上げると、この電源電圧の立ち上がる過程において、第1および第2のインバータの各出力ノードから第1および第2の各抵抗変化型素子に電流が各々流れる。その際、第1の抵抗変化型素子の抵抗値が第2の抵抗変化型素子の抵抗値よりも小さいと、第1のインバータの出力ノードから第1の抵抗変化型素子に流れる電流の方が第2のインバータの出力ノードから第2の抵抗変化型素子に流れる電流よりも多くなる。この結果、第2のインバータの出力電圧に比べて、第1のインバータの出力電圧の上昇により多くのブレーキが掛かり、第1のインバータの出力電圧がLレベル、第2のインバータの出力電圧がHレベルとなる。逆に第1の抵抗変化型素子の抵抗値が第2の抵抗変化型素子の抵抗値よりも大きいと、第1のインバータの出力電圧に比べて、第2のインバータの出力電圧の上昇により多くのブレーキが掛かり、第1のインバータの出力電圧がHレベル、第2のインバータの出力電圧がLレベルとなる。このように本発明による不揮発性フリップフロップでは、第1および第2の抵抗変化型素子の抵抗値の大小関係に応じたデータをスレーブラッチ部に記憶させるリコール動作を行うことができる。 In the present invention, when the first and second switches are turned on, the third switch is turned on, and the power supply voltage of the volatile flip-flop section is raised, the first and second switches in the process of raising the power supply voltage. Current flows from the output nodes of the inverters to the first and second variable resistance elements. At this time, if the resistance value of the first variable resistance element is smaller than the resistance value of the second variable resistance element, the current flowing from the output node of the first inverter to the first variable resistance element is greater. More than the current flowing from the output node of the second inverter to the second variable resistance element. As a result, compared to the output voltage of the second inverter, more brakes are applied due to the increase in the output voltage of the first inverter, the output voltage of the first inverter is L level, and the output voltage of the second inverter is H level. Become a level. Conversely, if the resistance value of the first variable resistance element is larger than the resistance value of the second variable resistance element, the output voltage of the second inverter increases more than the output voltage of the first inverter. As a result, the output voltage of the first inverter becomes H level and the output voltage of the second inverter becomes L level. As described above, the nonvolatile flip-flop according to the present invention can perform a recall operation in which data corresponding to the magnitude relationship between the resistance values of the first and second variable resistance elements is stored in the slave latch unit.
好ましい態様において、第1および第2のスイッチは電界効果トランジスタである。ストア時においてこの電界効果トランジスタに与えるゲート電圧を調整し、電界効果トランジスタのON抵抗を適切な値にすることにより、スレーブラッチ部に記憶されたデータを確実に不揮発性記憶部に書き込むことができる。 In a preferred embodiment, the first and second switches are field effect transistors. By adjusting the gate voltage applied to the field effect transistor at the time of storage and setting the ON resistance of the field effect transistor to an appropriate value, the data stored in the slave latch unit can be reliably written into the nonvolatile storage unit .
また、リコール時には、この第1および第2のスイッチである電界効果トランジスタのON抵抗を適切な値にすることにより、第1および第2の抵抗変化型素子に流れる電流を適正範囲内に抑え、誤読み出しを効果的に防止することができる。 Further, at the time of recall, by setting the ON resistance of the field effect transistors as the first and second switches to an appropriate value, the current flowing through the first and second variable resistance elements is suppressed within an appropriate range, It is possible to effectively prevent erroneous reading.
また、この発明は、揮発性ラッチ部と、不揮発性記憶部とを有し、前記揮発性ラッチ部は、互いに相手の出力信号を各々に対する入力信号とする第1および第2のインバータを含み、クロックが第1の論理値となることにより入力データを取り込み、クロックが第2の論理値となることにより前記入力データの供給元から前記第1および第2のインバータを遮断するものであり、前記不揮発性記憶部は、前記第1のインバータの出力ノードと共通ノードとの間に直列に介挿された第1のスイッチおよび第1の抵抗変化型素子と、前記第2のインバータの出力ノードと前記共通ノードとの間に直列に介挿された第2のスイッチおよび第2の抵抗変化型素子と、前記共通ノードと基準ノードとの間に介挿された第3のスイッチとを有し、前記第1および第2の抵抗変化型素子は、前記第1および第2のスイッチがON、前記第3のスイッチがOFFとされ、前記第1のインバータの出力ノードから前記第2のインバータの出力ノードに向かう電流が流れたとき、前記第1の抵抗変化型素子の抵抗値が第1の方向に、前記第2の抵抗変化型素子の抵抗値が前記第1の方向と逆方向の第2の方向に各々変化し、前記第2のインバータの出力ノードから前記第1のインバータの出力ノードに向かう電流が流れたとき、前記第1の抵抗変化型素子の抵抗値が前記第2の方向に、前記第2の抵抗変化型素子の抵抗値が前記第1の方向に各々変化する抵抗変化型素子であることを特徴とする不揮発性ラッチを提供する。 The present invention also includes a volatile latch unit and a non-volatile storage unit, the volatile latch unit including first and second inverters each having an output signal of each other as an input signal, When the clock becomes the first logic value, the input data is taken in, and when the clock becomes the second logic value, the first and second inverters are cut off from the supply source of the input data, The nonvolatile memory section includes a first switch and a first variable resistance element inserted in series between an output node and a common node of the first inverter, an output node of the second inverter, A second switch and a second variable resistance element inserted in series between the common node and a third switch interposed between the common node and a reference node; The first And the second variable resistance element is configured such that the first and second switches are turned on and the third switch is turned off, and is directed from the output node of the first inverter to the output node of the second inverter. When a current flows, the resistance value of the first resistance variable element is in a first direction, and the resistance value of the second resistance variable element is in a second direction opposite to the first direction. When a current flowing from the output node of the second inverter to the output node of the first inverter flows, the resistance value of the first variable resistance element changes in the second direction. There is provided a nonvolatile latch, wherein the resistance value of each of the two variable resistance elements is a variable resistance element that changes in the first direction.
この不揮発性ラッチにおいても、本発明による不揮発性フリップフロップと同様なストア動作およびリコール動作が可能である。 In this nonvolatile latch, a store operation and a recall operation similar to those of the nonvolatile flip-flop according to the present invention are possible.
この発明によれば、不揮発性記憶部の素子数が少なく、また、ストア時およびリコール時に抵抗変化型素子に流す電流が少なくて済むので、面積が小さくて安価な不揮発性フリップフロップおよび不揮発性ラッチを実現することができる。 According to the present invention, since the number of elements in the nonvolatile memory section is small and less current flows through the resistance variable element during storage and recall, the nonvolatile flip-flop and nonvolatile latch that are small in area and inexpensive can be used. Can be realized.
この発明の他の態様では、不揮発性フリップフロップおよび不揮発性ラッチは、前記共通ノードにバイアス電圧を与えるバイアス設定手段を有する。この態様において、前記第1および第2の抵抗変化型素子は、前記第1および第2のスイッチがONとされ、第1のインバータの出力ノードから前記共通ノードを介して前記第2の出力ノードに向かう電流が流れたとき、前記第1の抵抗変化型素子の抵抗値が第1の方向に、前記第2の抵抗変化型素子の抵抗値が前記第1の方向と逆方向の第2の方向に各々変化し、前記第2のインバータの出力ノードから前記共通ノードを介して前記第1の出力ノードに向かう電流が流れたとき、前記第1の抵抗変化型素子の抵抗値が前記第2の方向に、前記第2の抵抗変化型素子の抵抗値が前記第1の方向に各々変化する。ここで、ストア時において、バイアス設定手段は、例えば電源電圧の1/2のバイアス電圧を共通ノードに与える。 In another aspect of the present invention, the nonvolatile flip-flop and the nonvolatile latch have bias setting means for applying a bias voltage to the common node. In this aspect, the first and second variable resistance elements have the first and second switches turned on, and the second output node from the output node of the first inverter through the common node. When a current flowing in the direction flows, a resistance value of the first resistance variable element is in a first direction, and a resistance value of the second resistance variable element is a second direction opposite to the first direction. And when a current flows from the output node of the second inverter to the first output node via the common node, the resistance value of the first resistance variable element is changed to the second value. The resistance value of the second resistance variable element changes in the first direction in the direction of. Here, at the time of storing, the bias setting means applies, for example, a bias voltage that is ½ of the power supply voltage to the common node.
この態様によれば、不揮発性記憶部の記憶データの如何に拘わらず、ストア時に第1および第2の抵抗変化型素子に印加する電圧を常に一定にすることができ、安定したストア動作を実現することができる。 According to this aspect, the voltage applied to the first resistance change element and the second resistance change element at the time of storing can be always kept constant regardless of the data stored in the non-volatile storage unit, thereby realizing a stable store operation. can do.
以下、図面を参照し、この発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態において、トランジスタはMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor;金属−酸化膜−半導体構造の電界効果トランジスタ)を指す。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following embodiments, the transistor refers to a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor; field-effect transistor having a metal-oxide film-semiconductor structure).
<第1実施形態>
図1は、この発明の第1実施形態である不揮発性フリップフロップ200の構成を示す回路図である。また、図2は、通常のフリップフロップの構成例を示す回路図である。本実施形態による不揮発性フリップフロップの特徴の理解を容易にするため、まず、図2を参照し、通常のフリップフロップについて説明する。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a nonvolatile flip-
図2に示すフリップフロップは、マスターラッチ部100Mと、スレーブラッチ部100Sと、クロックドライバ100Cとを有する。ここで、クロックドライバ100Cは、2段のインバータ107および108からなり、入力されるクロックCLKと同じ論理値の内部クロックCKと、クロックCLKを反転した内部クロック/CKを出力する。マスターラッチ部100Mは、クロックトインバータ101および103と、インバータ102により構成されている。スレーブラッチ部100Sは、クロックトインバータ104および106と、インバータ105、109および110により構成されている。
The flip-flop illustrated in FIG. 2 includes a
このような構成において、クロックCLKがHレベルからLレベルになると、内部クロックCKがLレベル、内部クロック/CKがHレベルとなる。このため、クロックトインバータ101および106は入力信号を反転して出力する出力イネーブル状態となり、クロックトインバータ103および104は出力インピーダンスがハイインピーダンス(出力端子がフローティング)である出力ディセーブル状態となる。この結果、マスターラッチ部100Mに入力データDが取り込まれ、スレーブラッチ部100Sでは、クロックCLKがLレベルになる前に取り込んだデータが保持される。次にクロックCLKがLレベルからHレベルになると、内部クロックCKがHレベル、内部クロック/CKがLレベルとなる。このため、クロックトインバータ103および104は出力イネーブル状態、クロックトインバータ101および106は出力ディセーブル状態となる。この結果、マスターラッチ部100Mでは、クロックCLKがHレベルになる前に取り込んだデータが保持され、スレーブラッチ部100Sではマスターラッチ部100Mのインバータ102の出力データが取り込まれ、この取り込んだデータと同じ論理値のデータQと、反対の論理値のデータ/Qがインバータ110および109から各々出力される。
In such a configuration, when the clock CLK changes from H level to L level, the internal clock CK becomes L level and the internal clock / CK becomes H level. Therefore, clocked
本実施形態による不揮発性フリップフロップ200は、図1に示すように、揮発性フリップフロップ部1_1と、不揮発性記憶部2_1と、制御ロジック部3_1とを有する。ここで、揮発性フリップフロップ部1_1は、マスターラッチ部1M_1と、スレーブラッチ部1S_1とにより構成されている。
As shown in FIG. 1, the non-volatile flip-
マスターラッチ部1M_1は、図2のフリップフロップのマスターラッチ部100Mと同様な構成を有しており、入力データDが入力されるクロックトインバータ201と、このクロックトインバータ201の出力信号を反転して出力するインバータ202と、出力イネーブル状態においてインバータ202の出力信号を反転してクロックトインバータ201の出力ノードとインバータ202の入力ノードとの接続点に出力するクロックトインバータ203とにより構成されている。
The master latch unit 1M_1 has a configuration similar to that of the
スレーブラッチ部1S_1の構成は、図2のフリップフロップのスレーブラッチ部100Sの構成と異なっている。このスレーブラッチ部1S_1は、インバータ204、207および208と、トランスファゲート205および206と、NANDゲート219と、インバータ220と、NORゲート221と、インバータ222とを有している。
The configuration of the slave latch unit 1S_1 is different from the configuration of the
ここで、インバータ204は、マスターラッチ部1M_1のインバータ202が出力するデータDMを反転したデータ/DMを出力する。インバータ207および208は、互いに相手の出力信号を各々に対する入力信号としており、ラッチを構成している。そして、トランスファゲート205は、インバータ202の出力ノードと、インバータ207の入力ノードおよびインバータ208の出力ノードの接続点との間に介挿されている。また、トランスファゲート206は、インバータ204の出力ノードと、インバータ208の入力ノードおよびインバータ207の出力ノードの接続点との間に介挿されている。
Here,
トランスファゲート205および206には、2相の内部クロックCKSおよび/CKSが与えられる。ここで、内部クロックCKSがHレベル、内部クロック/CKSがLレベルの場合、トランスファゲード205および206の両方がONとなる。この状態では、インバータ202の出力ノードがインバータ207の入力ノードおよびインバータ208の出力ノードに接続され、インバータ204の出力ノードがインバータ208の入力ノードおよびインバータ207の出力ノードに接続される。従って、マスターラッチ部1M_1の出力データDMがインバータ207および208からなるラッチに書き込まれ、インバータ208の出力データDSがデータDMと同一論理のデータ、インバータ207の出力データ/DSがデータ/DMと同一論理のデータとなる。
Two-phase internal clocks CKS and / CKS are applied to transfer
また、内部クロックCKSがLレベル、内部クロック/CKSがHレベルの場合、トランスファゲート205および206の両方がOFFとなる。このため、インバータ207および208の両方がマスターラッチ部1M_1から切り離される。そして、インバータ207および208からなるラッチはマスターラッチ部1M_1から切り離される前に書き込まれたデータを保持する。
When internal clock CKS is at L level and internal clock / CKS is at H level, both
NANDゲート219およびインバータ220は、基準ノード接続信号/WEがHレベルである場合に、インバータ208の出力データDSを不揮発性フリップフロップ200の出力信号Qとして出力し、基準ノード接続信号/WEがLレベルである場合に、インバータ208の出力データDSとは無関係に不揮発性フリップフロップ200の出力信号QをLレベルに固定する。NORゲート221およびインバータ222は、基準ノード遮断信号WEがLレベルである場合に、インバータ207の出力データ/DSを不揮発性フリップフロップ200の反転出力信号/Qとして出力し、基準ノード遮断信号WEがHレベルである場合に、インバータ207の出力データ/DSとは無関係に不揮発性フリップフロップ200の反転出力信号/QをHレベルに固定する。なお、基準ノード接続信号/WEおよび基準ノード遮断信号WEは、制御ロジック部3_1により生成される信号である。
以上が本実施形態におけるスレーブラッチ部1S_1の構成の詳細である。
The above is the details of the configuration of the slave latch unit 1S_1 in the present embodiment.
図2におけるスレーブラッチ部100Sでは、マスターラッチ部100Mから取り込んだデータを保持するためのラッチがインバータ105とクロックトインバータ106とにより構成されていた。これに対し、本実施形態におけるスレーブラッチ部1S_1では、マスターラッチ部1M_1から取り込んだデータDMを保持するためのラッチがインバータ207および208により構成されている。これらのインバータ207および208は、出力インピーダンスや出力電流特性が互いに同じである。この点が図2におけるスレーブラッチ部100Sと本実施形態におけるスレーブラッチ部1S_1との相違点である。
In the
次に不揮発性記憶部2_1について説明する。不揮発性記憶部2_1は、第1および第2のスイッチであるNチャネルトランジスタ209および210と、第1および第2の抵抗変化型素子である抵抗変化型素子224および223と、第3のスイッチであるNチャネルトランジスタ211とにより構成されている。
Next, the nonvolatile memory unit 2_1 will be described. The nonvolatile memory unit 2_1 includes N-
ここで、Nチャネルトランジスタ209および抵抗変化型素子224は、ラッチを構成する第1のインバータであるインバータ208の出力ノードと共通ノードCNとの間に直列に介挿されている。また、Nチャネルトランジスタ210および抵抗変化型素子223は、ラッチを構成する第2のインバータであるインバータ207の出力ノードと共通ノードCNとの間に直列に介挿されている。
Here, the N-
さらに詳述すると、Nチャネルトランジスタ209および210は各々のドレインがインバータ208および207の各々の出力ノードに接続されている。このNチャネルトランジスタ209および210の各ゲートには、活性化信号VWRが与えられる。そして、この例では抵抗変化型素子224および223は、各々MTJ素子であり、Nチャネルトランジスタ209および210の各ソースには、抵抗変化型素子224および223の各々のピン層が接続されている。また、抵抗変化型素子224および223の各々のフリー層が共通ノードCNに接続されている。
More specifically,
抵抗変化型素子224および223として、このようなMTJ素子の他に、ReRAMのメモリセルに用いられるCER(Colossal Electro−Resistance;電界誘起巨大抵抗変化)抵抗素子を利用してもよい。
As the
Nチャネルトランジスタ211は、共通ノードCNと、基準ノードとの間に介挿されている。このNチャネルトランジスタ211のゲートには、基準ノード接続信号/WEが与えられる。本実施形態では、基準ノードは接地されている。揮発性フリップフロップ1_1や制御ロジック部3_1の低電位側電源線も同様に接地されている。
N-
次に制御ロジック部3_1について説明する。不揮発性フリップフロップ200には、入力データD、クロックCLK、読出許可信号REENおよび書込許可信号WEENと、上述した活性化信号VWRが与えられる。インバータ217は、書込許可信号WEENを反転し、上述した基準ノード接続信号/WEとして出力する。インバータ218は、この基準ノード接続信号/WEを反転し、基準ノード遮断信号WEとして出力する。
Next, the control logic unit 3_1 will be described. Nonvolatile flip-
NORゲート212、インバータ213および214は、クロックCLKおよび基準ノード遮断信号WEに基づいて内部クロックCKおよび/CKを発生する回路を構成している。この回路は、基準ノード遮断信号WEがLレベルである場合に、クロックCLKと同一論理値の内部クロックCKとクロックCLKを反転した内部クロック/CKを発生し、基準ノード遮断信号WEがHレベルである場合に、内部クロックCKをHレベルに、内部クロック/CKをLレベルに固定する。内部クロックCKがHレベル、内部クロック/CKがLレベルである場合、マスターラッチ部1M_1のクロックトインバータ201は出力ディセーブル状態、クロックトインバータ203は出力イネーブル状態となる。また、内部クロックCKがLレベル、内部クロック/CKがHレベルである場合、マスターラッチ部1M_1のクロックトインバータ201は出力イネーブル状態、クロックトインバータ203は出力ディセーブル状態となる。
NOR
NORゲート212および215と、インバータ216は、クロックCLK、基準ノード遮断信号WEおよび読出許可信号REENに基づいて内部クロックCKSおよび/CKSを発生する回路を構成している。この回路は、基準ノード遮断信号WEおよび読出許可信号REENの両方がLレベルである場合に、クロックCLKと同一論理値の内部クロックCKSとクロックCLKを反転した内部クロック/CKSを発生し、基準ノード遮断信号WEまたは読出許可信号REENの少なくとも一方がHレベルである場合に、内部クロックCKSをLレベルに、内部クロック/CKSをHレベルに固定する。内部クロックCKSがLレベル、内部クロック/CKSがHレベルである場合、スレーブラッチ部1S_1のトランスファゲート205および206はOFFとなる。また、内部クロックCKSがHレベル、内部クロック/CKSがLレベルである場合、スレーブラッチ部1S_1のトランスファゲート205および206はONとなる。
NOR
図3は本実施形態による不揮発性フリップフロップ200の動作条件を示す図である。また、図4(a)および(b)は本実施形態においてスレーブラッチ部1S_1の記憶データを不揮発性記憶部2_1に書き込むストア動作を示す図である。また、図5は通常動作およびストア動作における各部の波形を示すタイムチャートである。また、図6は本実施形態において不揮発性記憶部2_1の記憶データを読み出してスレーブラッチ部1S_1に書き込むリコール動作が行われる場合の各部の波形を示すタイムチャートである。以下、これらの図を参照し、不揮発性フリップフロップ200に対する電源電圧VDDが1.2Vの場合を例に本実施形態の動作を説明する。
FIG. 3 is a diagram showing operating conditions of the nonvolatile flip-
不揮発性フリップフロップ200を通常のフリップフロップとして動作させる場合、図3に示すように、活性化信号VWRを0V(=低電位側電源電圧VSS)とし、読出許可信号REENおよび書込許可信号WEENの両方をLレベルとする。これによりNチャネルトランジスタ209および210がOFFとなり、不揮発性記憶部2_1がスレーブラッチ部1S_1から切り離される。また、クロックCLKと同一論理の内部クロックCKおよびCKSと、クロックCLKを反転させた内部クロック/CKおよび/CKSが発生する。この結果、不揮発性フリップフロップ200は通常のフリップフロップとして動作する。
When the nonvolatile flip-
さらに詳述すると、クロックCLKがLレベルである期間は、クロックトインバータ201が出力イネーブル状態、クロックトインバータ203が出力ディセーブル状態、トランスファゲート205および206がOFFとなる。このため、マスターラッチ部1M_1に入力データDが書き込まれ、マスターラッチ部1M_1の出力データDMが入力データDに切り換わる。また、スレーブラッチ部1S_1は、クロックCLKがLレベルとなる前に取り込んだ前データを保持する。クロックCLKがHレベルである期間は、クロックトインバータ201が出力ディセーブル状態、クロックトインバータ203が出力イネーブル状態、トランスファゲート205および206がONとなる。このため、マスターラッチ部1M_1ではクロックCLKがHレベルになる前に取り込んだデータが保持される。また、スレーブラッチ部1S_1では、マスターラッチ部1M_1の出力データDMにより出力データDSおよび/DSが書き換えられる。
More specifically, during the period when the clock CLK is at L level, the clocked
スレーブラッチ部1S_1の記憶データDSを不揮発性記憶部2_1に書き込むストアを行う場合には、読出許可信号REENがLレベル(“0”)、書込許可信号WEENがHレベル(“1”)とされる。この結果、基準ノード接続信号/WEがLレベルとなってNチャネルトランジスタ211がOFFとなる。また、基準ノード遮断信号WEがHレベルとなることから、内部クロックCKおよび/CKSがHレベル、内部クロック/CKおよびCKSがLレベルとなる。この結果、クロックトインバータ201は出力ディセーブル状態、クロックトインバータ203は出力イネーブル状態となり、マスターラッチ部1M_1は前データ保持状態となる。また、トランスファゲート205および206がOFFとなり、スレーブラッチ部1S_1も前データ保持状態となる。
When performing storage to write the storage data DS of the slave latch unit 1S_1 to the nonvolatile storage unit 2_1, the read enable signal REEN is at L level (“0”) and the write enable signal WEEN is at H level (“1”). Is done. As a result, the reference node connection signal / WE becomes L level and the N-
また、ストアの動作を行わせる場合には、活性化信号VWRが1.5Vとされる。この場合、電源電圧VDDが1.2Vであるので、活性化信号VWRは、1.2Vの電源電圧VDDを昇圧回路によって昇圧することにより生成することとなる。活性化信号VWRが1.5Vになると、Nチャネルトランジスタ209および210がONとなり、インバータ208の出力ノード(データDS)がNチャネルトランジスタ209を介して抵抗変化型素子224に接続され、インバータ207の出力ノード(データ/DS)がNチャネルトランジスタ210を介して抵抗変化型素子223に接続される。
When the store operation is performed, the activation signal VWR is set to 1.5V. In this case, since the power supply voltage VDD is 1.2V, the activation signal VWR is generated by boosting the power supply voltage VDD of 1.2V by the booster circuit. When activation signal VWR becomes 1.5 V, N-
ここで、スレーブラッチ部1S_1がデータ“0”を記憶しており、DS=“0”、/DS=“1”である場合、図4(a)に示すように、インバータ207の出力ノード→Nチャネルトランジスタ210→抵抗変化型素子223→抵抗変化型素子224→Nチャネルトランジスタ209→インバータ208の出力ノードという経路を通って電流が流れる。この場合、抵抗変化型素子223は、ピン層からフリー層に向かう電流が流れるので抵抗値が上昇し、抵抗変化型素子224は、フリー層からピン層に向かう電流が流れるので抵抗値が低下する。
Here, when the slave latch unit 1S_1 stores data “0” and DS = “0” and / DS = “1”, as shown in FIG. 4A, the output node of the
一方、スレーブラッチ部1S_1がデータ“1”を記憶しており、DS=“1”、/DS=“0”である場合、図4(b)に示すように、インバータ208の出力ノード→Nチャネルトランジスタ209→抵抗変化型素子224→抵抗変化型素子223→Nチャネルトランジスタ210→インバータ207の出力ノードという経路を通って電流が流れる。この場合、抵抗変化型素子223は、フリー層からピン層に向かう電流が流れるので抵抗値が低下し、抵抗変化型素子224は、ピン層からフリー層に向かう電流が流れるので抵抗値が上昇する。
On the other hand, when the slave latch unit 1S_1 stores data “1” and DS = “1” and / DS = “0”, as shown in FIG. 4B, the output node of the
このようにしてスレーブラッチ部1S_1の記憶データが不揮発性記憶部2_1に書き込まれる。この場合、抵抗変化型素子224および223の抵抗値の大小関係が不揮発性記憶部2_1の記憶データを表す。すなわち、抵抗変化型素子223の抵抗値が抵抗変化型素子224の抵抗値よりも大きければ不揮発性記憶部2_1の記憶データは“0”であり、抵抗変化型素子224の抵抗値が抵抗変化型素子223の抵抗値よりも大きければ不揮発性記憶部2_1の記憶データは“1”である。
In this way, the storage data of the slave latch unit 1S_1 is written to the nonvolatile storage unit 2_1. In this case, the magnitude relationship between the resistance values of the resistance
図3に示す動作条件では、データ“0”をストアする場合における共通ノードCNの電圧SLが0.45Vであるのに対し、データ“1”をストアする場合における共通ノードCNの電圧SLが0.55Vととなっている。このような差が電圧SLに生じるのは、不揮発性記憶部2_1の記憶データが“0”である場合も“1”である場合も、ストア時における抵抗変化型素子223および224間に抵抗値の差があるからである。まず、不揮発性記憶部2_1がデータ“0”を記憶していたとすると、抵抗変化型素子224が低抵抗、抵抗変化型素子223が高抵抗となっている。そして、スレーブラッチ部1S_1の出力データDSが“0”であるときに、Nチャネルトランジスタ209および210がONになると、インバータ207の出力電圧VDD(データ/DS)を高抵抗である抵抗変化型素子223と低抵抗である抵抗変化型素子224により分圧した電圧SLが共通ノードCNに現われ、この電圧SLは、VDD/2よりも小さい0.45Vとなる。一方、スレーブラッチ部1S_1の出力データDSが“1”であるときに、Nチャネルトランジスタ209および210がONになると、インバータ208の出力電圧VDD(データDS)を低抵抗である抵抗変化型素子224と高抵抗である抵抗変化型素子223により分圧した電圧SLが共通ノードCNに現われ、この電圧SLは、VDD/2よりも大きい0.55Vとなる。このように本実施形態では、データ“0”をストアする場合とデータ“1”をストアする場合とで共通ノードCNに現われる電圧SLに若干の差が生じる。
3, the voltage SL of the common node CN when storing data “0” is 0.45 V, whereas the voltage SL of the common node CN when storing data “1” is 0. .55V. Such a difference occurs in the voltage SL because the resistance value between the
ストア動作時において活性化信号VWRを電源電圧1.2Vよりも高い1.5Vとするのは次の理由による。まず、仮に活性化信号WREを電源電圧と同じ1.2Vにすると、インバータ208および207から抵抗変化型素子224および223に印加可能な電圧の最大値が、この活性化信号VWR=1.2VからNチャネルトランジスタ209および210の閾値分だけ低下した電圧となる。このような抵抗変化型素子224および223への印加電圧の低下は、データ書き込みの妨げとなるので好ましくない。また、抵抗変化型素子224および223に流す電流を抵抗値の変化を生じさせるに十分な電流値にするために、Nチャネルトランジスタ209および210の抵抗を小さくする必要がある。このため、活性化信号WREとして、電源電圧VDD=1.2Vに対してNチャネルトランジスタ224および223の閾値相当の電圧Vthを加えた1.5Vの電圧をNチャネルトランジスタ209および210に与えているのである。
The reason why the activation signal VWR is set to 1.5V higher than the power supply voltage 1.2V during the store operation is as follows. First, if activation signal WRE is set to 1.2 V, which is the same as the power supply voltage, the maximum value of the voltage that can be applied to resistance change
図5に示す動作例では、通常のフリップフロップとしての動作が行われた後、スレーブラッチ部1S_1から不揮発性記憶部2_1にデータ“0”を書き込む“0”ストアが行われ、その後、再び通常のフリップフロップとしての動作が行われた後、スレーブラッチ部1S_1から不揮発性記憶部2_1にデータ“1”を書き込む“1”ストアが行われている。 In the operation example shown in FIG. 5, after the operation as a normal flip-flop is performed, “0” store for writing data “0” from the slave latch unit 1S_1 to the nonvolatile storage unit 2_1 is performed, and then the normal flip-flop is again operated. After the operation as the flip-flop, the data “1” is written from the slave latch unit 1S_1 to the nonvolatile memory unit 2_1.
なお、ストア動作においては、インバータ207および208により抵抗変化型素子223および224に電流を流すので、インバータ207および208の各出力電圧にIRドロップが生じる。ここで、インバータ207の出力電圧(データDS)はNANDゲート219に、インバータ207の出力電圧(データ/DS)はNORゲート221に入力されるので、何ら策を講じないと、これらの出力電圧に現われるIRドロップの影響によりNANDゲート219およびNORゲート221にリーク電流が流れる。しかしながら、本実施形態では、ストア動作の際に、基準ノード接続信号/WEをLレベルとすることによりNANDゲート219における1つのNチャネルトランジスタをOFFとし、基準ノード遮断信号WEをHレベルとすることによりNORゲート221における1つのPチャネルトランジスタをOFFとしている。従って、そのようなリーク電流の発生が防止される。
In the store operation, since current is passed through
ストア動作が完了した後は、不揮発性フリップフロップ200に対する電源電圧VDDを遮断してよい。この電源電圧VDDが遮断された状態においても、不揮発性記憶部2_1では、抵抗変化型素子223および224がストア動作により設定された抵抗値を維持する。
After the store operation is completed, the power supply voltage VDD for the nonvolatile flip-
次にリコール動作について説明する。不揮発性フリップフロップ200にリコール動作を行わせる場合、書込許可信号WEENがLレベル(”0”)、読出許可信号REENがHレベル(”1”)とされ、さらに活性化信号VWRとして所定のクランプ電圧VCLAMPがNチャネルトランジスタ209および210に与えられる。そして、この状態において、不揮発性フリップフロップ200の電源電圧VDDが立ち上げられる。
Next, the recall operation will be described. When the nonvolatile flip-
この場合、書込許可信号WEENがLレベル(”0”)であることから、Nチャネルトランジスタ211はONとなる。また、読出許可信号REENがHレベル(”1”)であることから、内部クロックCKSがLレベル、内部クロック/CKSがHレベルとなり、トランスファゲート205および206がOFFとなる。また、活性化信号VWRとしてクランプ電圧VCLAMPが与えられることにより、Nチャネルトランジスタ209および210がONとなる。
In this case, since the write enable signal WEEN is at the L level (“0”), the N-
ここで、不揮発性記憶部2_1がデータ“0”を記憶している場合、抵抗変化型素子223が高抵抗、抵抗変化型素子224が低抵抗となっている。この状態で、電源電圧VDDが0Vから1.2Vに上昇すると、インバータ207の出力ノードから共通ノードCNに向けて流れる電流よりもインバータ208の出力ノードから共通ノードCNに向けて流れる電流の方が大きくなるので、インバータ207の出力ノードの電圧(データ/DS)の方がインバータ208の出力ノードの電圧(データDS)より高くなる。この結果、スレーブラッチ部1S_1は、インバータ207の出力ノードの電圧(データ/DS)がHレベル、インバータ208の出力ノードの電圧(データDS)V2がLレベルとなり、この状態を保持する。このようにしてデータ“0”が不揮発性記憶部2_1から読み出されてスレーブラッチ部1S_1に記憶され、データ“0”のリコールが完了する。
Here, when the nonvolatile storage unit 2_1 stores data “0”, the resistance
一方、不揮発性記憶部2_1がデータ“1”を記憶している場合、抵抗変化型素子223が低抵抗、抵抗変化型素子224が高抵抗となっている。この状態で、電源電圧VDDが0Vから1.2Vに上昇すると、インバータ208の出力ノードから共通ノードCNに向けて流れる電流よりもインバータ207の出力ノードから共通ノードCNに向けて流れる電流の方が大きくなるので、インバータ208の出力ノードの電圧(データDS)の方がインバータ207の出力ノードの電圧(データ/DS)より高くなる。この結果、スレーブラッチ部1S_1は、インバータ208の出力ノードの電圧(データDS)がHレベル、インバータ207の出力ノードの電圧(データ/DS)V2がLレベルとなり、この状態を保持する。このようにしてデータ“1”が不揮発性記憶部2_1から読み出されてスレーブラッチ部1S_1に記憶され、データ“1”のリコールが完了する。
On the other hand, when the nonvolatile storage unit 2_1 stores data “1”, the resistance
リコールの動作において、活性化信号VWRとして所定のクランプ電圧VCLAMPをNチャネルトランジスタ209および208に与えるのは、次の理由による。まず、抵抗変化型素子224および223に対して一定以上のバイアスをかけると誤書き込みが発生し、読み出し不良を招く。例えば、抵抗変化型素子224および223に0.2Vを印加して15μAの電流を流した場合には問題がないが、0.66V以上のバイアスがかかるとおよそ50μAの電流が流れ、抵抗変化型素子224および223に対するデータの誤書き込みが発生する。このような誤書き込みを防止するため、所定のクランプ電圧VCLAMPをNチャネルトランジスタ209および208に与えることによりNチャネルトランジスタ209および208のON抵抗を適度に高くし、抵抗変化型素子224および223に適度なバイアスがかかるようにしているのである。
In the recall operation, the predetermined clamp voltage VCLAMP is applied to the N-
リコールが終了した後は、活性化信号VWRが0Vとされ、抵抗変化型素子223および224がスレーブラッチ部1S_1から切り離される。その後、読出許可信号REENがLレベル(“0”)とされる。これにより通常のフリップフロップとしての動作が開始される。
After the recall is completed, the activation signal VWR is set to 0 V, and the resistance
本実施形態による不揮発性フリップフロップ200は、下記の55個のトランジスタと2個の抵抗変化型素子により実現可能である。
<不揮発性フリップフロップ200のトランジスタ数>
インバータ 11個 トランジスタ数 22個
トランスファゲート 2個 トランジスタ数 4個
クロックトインバータ 2個 トランジスタ数 8個
2入力NANDゲート 1個 トランジスタ数 4個
2入力NORゲート 2個 トランジスタ数 8個
3入力NORゲート 1個 トランジスタ数 6個
Nチャネルトランジスタ 3個
合計 55個
The nonvolatile flip-
<Number of transistors of nonvolatile flip-
55 total
一方、従来のフリップフロップ(図2)は、28個のトランジスタにより実現される。従って、不揮発性フリップフロップ200の所要面積は、従来のフリップフロップの所要面積の約2倍となる。このように本実施形態によれば、所要面積を過度に増大させることなく、不揮発性フリップフロップ200を実現することができる。
On the other hand, the conventional flip-flop (FIG. 2) is realized by 28 transistors. Therefore, the required area of the nonvolatile flip-
<第2実施形態>
図7はこの発明の第2実施形態である不揮発性フリップフロップ250の構成を示す回路図である。この不揮発性フリップフロップ250は、揮発性フリップフロップ部1_2と、不揮発性記憶部2_2と、制御ロジック部3_2とを有する。揮発性フリップフロップ部1_2は、マスターラッチ部1M_2と、スレーブラッチ部1S_2とにより構成されている。
Second Embodiment
FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of a nonvolatile flip-
マスターラッチ部1M_2は、クロックトインバータ251および253と、インバータ252とにより構成されている。このマスターラッチ部1M_2の構成は、上記第1実施形態のマスターラッチ部1M_1と同様である。
The master latch unit 1M_2 includes clocked
スレーブラッチ部1S_2は、クロックトインバータ254〜256と、NANDゲート257と、インバータ258とにより構成されている。マスターラッチ部1M_2の出力データDMは、クロックトインバータ254を介してクロックトインバータ255に入力される。このクロックトインバータ255とクロックトインバータ256は、互いに相手の出力信号を各々への入力信号とするラッチを構成している。ここで、クロックトインバータ255は、電源VDDおよび出力ノード間に直列に介挿された2個のPチャネルトランジスタと、出力ノードおよび接地線GND間に直列に介挿された2個のNチャネルトランジスタとからなる周知の構成のものである。そして、クロックトインバータ255において、1個のPチャネルトランジスタと1個のNチャネルトランジスタの各ゲートに入力データ(図示の例ではデータDSn)が与えられ、残りのPチャネルトランジスタのゲートには接地レベルGNDが、残りのNチャネルトランジスタのゲートには電源電圧VDDが常時与えられる。従って、クロックトインバータ255は、常時、出力イネーブル状態となっている。通常のラッチを実現するためには、クロックトインバータ255の代わりに単なるインバータを用いればよいが、本実施形態では、2個のクロックトインバータ255および256によりラッチを構成している。その理由は、これらの2個のクロックトインバータ255および256を互いに同じサイズのトランジスタにより構成することにより、両者の出力電流特性を互いに揃えるためである。
The slave latch unit 1S_2 includes clocked
NANDゲート257にはクロックトインバータ255の出力データDSと出力抑止信号WEREnが入力される。インバータ258は、NANDゲート257の出力信号を反転して出力する。このインバータ258の出力信号が不揮発性フリップフロップ250の出力信号Qとなる。また、NANDゲート257の出力信号が不揮発性フリップフロップ250の反転出力信号/Qとなる。
The
不揮発性記憶部2_2は、Nチャネルトランジスタ259および260と、抵抗変化型素子267および266と、Nチャネルトランジスタ261とにより構成される。この不揮発性記憶部2_2の構成は、上記第1実施形態における不揮発性記憶部2_1と同様である。
The nonvolatile memory unit 2_2 includes N-
次に制御ロジック部3_2について説明する。インバータ265は、書込許可信号WEENを反転し、基準ノード接続信号/WEとしてNチャネルトランジスタ261のゲートに供給する。NORゲート264は、書込許可信号WEENまたは読出許可信号REENの少なくとも一方がHレベルのとき、NANDゲート257に与える出力抑止信号WEREnをLレベルにする。これは書込許可信号WEENがHレベルとなってストア動作が行われる場合または読出許可信号REENがHレベルとなってリコール動作が行われる場合には、クロックトインバータ255の出力電圧(データDS)にIRドロップが生じ、このIRドロップに起因したリーク電流がNANDゲート257に流れるのを防止する必要があるからである。
Next, the control logic unit 3_2 will be described.
NANDゲート262およびインバータ263は、内部クロックCKSおよび/CKSを発生する回路を構成している。この回路は、出力抑止信号WEREnがHレベルである場合に、クロックCLKと同じ論理値の内部クロックCKSとクロックCLKを反転した内部クロック/CKSを発生する。また、この回路は、出力抑止信号WEREnがLレベルである場合に、クロックCLKとは無関係に、内部クロックCKSをLレベルに、内部クロック/CKSをHレベルに固定する。
内部クロックCKSがLレベル、内部クロック/CKSがHレベルの場合、マスターラッチ部1M_2では、クロックトインバータ251が出力イネーブル状態、クロックトインバータ253が出力ディセーブル状態となるため、入力データDにより出力データDMが書き換えられる。また、スレーブラッチ部1S_2では、クロックトインバータ254が出力ディセーブル状態、クロックトインバータ256が出力イネーブル状態となるため、前データ保持が行われる。
When the internal clock CKS is L level and the internal clock / CKS is H level, in the master latch unit 1M_2, the clocked
一方、内部クロックCKSがHレベル、内部クロック/CKSがLレベルの場合、マスターラッチ部1M_2では、クロックトインバータ251が出力ディセーブル状態、クロックトインバータ253が出力イネーブル状態となるため、前データ保持が行われる。また、スレーブラッチ部1S_2では、クロックトインバータ254が出力イネーブル状態、クロックトインバータ256が出力ディセーブル状態となるため、マスターラッチ部1M_2の出力データDMにより出力データDSが書き換えられる。
On the other hand, when the internal clock CKS is H level and the internal clock / CKS is L level, the master latch unit 1M_2 holds the previous data because the clocked
ストア時には書込許可信号WEENがHレベルとされ、読出許可信号REENがLレベルとされる。この場合、基準ノード接続信号/WEがLレベルとなるため、Nチャネルトランジスタ261がOFFとなる。また、出力抑止信号WEREnがLレベルとなるため、クロックトインバータ254が出力ディセーブル状態、クロックトインバータ256が出力イネーブル状態となり、クロックトインバータ255および256からなるラッチがマスターラッチ部1M_2から切り離される。この状態において、活性化信号VWRがNチャネルトランジスタ259および260に与えられることによりストア動作が行われる。このストア動作の詳細は上記第1実施形態と同様である。
At the time of store, write enable signal WEEN is set to H level, and read enable signal REEN is set to L level. In this case, since reference node connection signal / WE is at L level, N-
リコール時には書込許可信号WEENがLレベルとされ、読出許可信号REENがHレベルとされる。この場合、基準ノード接続信号/WEがHレベルとなるため、Nチャネルトランジスタ261がONとなる。また、出力抑止信号WEREnがLレベルとなるため、クロックトインバータ254が出力ディセーブル状態、クロックトインバータ256が出力イネーブル状態となり、クロックトインバータ255および256からなるラッチがマスターラッチ部1M_2から切り離される。この状態において、活性化信号VWRとして所定のクランプ電圧VCLAMPがNチャネルトランジスタ259および260に与えられ、電源電圧VDDが立ち上げられることによりリコール動作が行われる。このリコール動作の詳細は上記第2実施形態と同様である。
At the time of recall, write enable signal WEEN is set to L level, and read enable signal REEN is set to H level. In this case, since reference node connection signal / WE is at H level, N-
本実施形態による不揮発性フリップフロップ250は、下記の43個のトランジスタと2個の抵抗変化型素子により実現可能である。
<不揮発性フリップフロップ250のトランジスタ数>
インバータ 4個 トランジスタ数 8個
クロックトインバータ 5個 トランジスタ数 20個
2入力NANDゲート 2個 トランジスタ数 8個
2入力NORゲート 1個 トランジスタ数 4個
Nチャネルトランジスタ 3個
合計 43個
本実施形態においても上記第1実施形態と同様な効果が得られる。
The nonvolatile flip-
<Number of transistors of nonvolatile flip-
A total of 43 The same effects as in the first embodiment can be obtained in this embodiment.
<第3実施形態>
図8はこの発明の第3実施形態である不揮発性フリップフロップ300の構成を示す回路図である。この不揮発性フリップフロップ300は、揮発性フリップフロップ部1_3と、不揮発性記憶部2_3と、制御ロジック部3_3とにより構成されている。また、揮発性フリップフロップ部1_3は、マスターラッチ部1M_3とスレーブラッチ部1S_3とにより構成されている。
<Third Embodiment>
FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of a nonvolatile flip-
不揮発性記憶部2_3および制御ロジック部3_3の構成は、上記第1実施形態(図1)の不揮発性記憶部2_1および制御ロジック部3_1の構成と同様である。しかし、揮発性フリップフロップ部1_3では、上記第1実施形態の揮発性フリップフロップ部1_1を構成する各要素201〜208、219〜222が、要素201v〜208v、219v〜222vに置き換えられている。これらの揮発性フリップフロップ部1_3の各要素201v〜208v、219v〜222vには、他の回路とは独立に電源供給系統が設けられており、制御ロジック部3_3等に供給される電源電圧VDDとは独立に制御可能な電源電圧VDDCが供給される。
The configurations of the nonvolatile storage unit 2_3 and the control logic unit 3_3 are the same as the configurations of the nonvolatile storage unit 2_1 and the control logic unit 3_1 in the first embodiment (FIG. 1). However, in the volatile flip-flop unit 1_3, the
図9は本実施形態の動作を示す図である。図9に示すように、電源電圧VDDCとして、システム全体の電源電圧VDDが揮発性フリップフロップ部1_3に供給されている状況では、上記第1実施形態と同様な通常のフリップフロップとしての動作およびストア動作が可能である。また、揮発性フリップフロップ部1_3に対する電源電圧VDDCをシステム全体の電源電圧VDDまで上昇させることにより、上記第1実施形態と同様なリコール動作を不揮発性フリップフロップ300に行わせることができる。それに加えて、本実施形態では、揮発性フリップフロップ部1_3に対する電源電圧VDDCを単独で遮断することができる。
以上が本実施形態の詳細である。
FIG. 9 is a diagram showing the operation of this embodiment. As shown in FIG. 9, in a situation where the power supply voltage VDD of the entire system is supplied to the volatile flip-flop unit 1_3 as the power supply voltage VDDC, the operation and store as a normal flip-flop similar to the first embodiment is performed. Operation is possible. Further, by raising the power supply voltage VDDC for the volatile flip-flop unit 1_3 to the power supply voltage VDD of the entire system, the non-volatile flip-
The above is the details of the present embodiment.
本実施形態においても上記第1実施形態と同様な効果が得られる。それに加えて、本実施形態では、システム全体の電源電圧とは独立に、揮発性フリップフロップ部1_3に対する電源電圧VDDCを単独で遮断し、あるいは立ち上げることが可能である。従って、不揮発性フリップフロップ300を搭載したシステムにおいて多彩な動作を実現することができる。また、本実施形態では、リコール動作時に、まず、制御ロジック部3_3等、揮発性フリップフロップ部1_3以外の回路に対する電源電圧VDDを立ち上げ、その後、揮発性フリップフロップ部1_3に対する電源電圧VDDCを立ち上げることにより、リコール動作の安定性を高めることが可能である。
Also in this embodiment, the same effect as the first embodiment can be obtained. In addition, in this embodiment, the power supply voltage VDDC for the volatile flip-flop unit 1_3 can be cut off or started up independently of the power supply voltage of the entire system. Therefore, various operations can be realized in a system in which the nonvolatile flip-
なお、本実施形態には次のような変形例が考えられる。すなわち、複数の不揮発性フリップフロップに対して独立に電源供給系統を設けて、所望の不揮発性フリップフロップを選択し、この選択した不揮発性フリップフロップに対する電源電圧VDDCのみを遮断して、リーク電流を低減するのである。あるいは複数の不揮発性フリップフロップを1または複数の不揮発性フリップフロップのグループに分け、グループ単位で電源電圧VDCの供給を遮断するのである。この態様によればきめ細かな省電力制御が可能となる。 In addition, the following modifications can be considered in this embodiment. That is, a power supply system is provided independently for a plurality of nonvolatile flip-flops, a desired nonvolatile flip-flop is selected, only the power supply voltage VDDC for the selected nonvolatile flip-flop is cut off, and a leakage current is reduced. It is reduced. Alternatively, the plurality of nonvolatile flip-flops are divided into groups of one or more nonvolatile flip-flops, and the supply of the power supply voltage VDC is cut off in units of groups. According to this aspect, fine power saving control is possible.
<第4実施形態>
図10はこの発明の第4実施形態である不揮発性フリップフロップ350の構成を示す回路図である。この不揮発性フリップフロップ350は、揮発性フリップフロップ部1_4と、不揮発性記憶部2_4と、制御ロジック部3_4とにより構成されている。また、揮発性フリップフロップ部1_4は、マスターラッチ部1M_4とスレーブラッチ部1S_4とにより構成されている。
<Fourth embodiment>
FIG. 10 is a circuit diagram showing a configuration of a nonvolatile flip-
不揮発性記憶部2_4および制御ロジック部3_4の構成は、上記第2実施形態(図7)の不揮発性記憶部2_2および制御ロジック部3_2の構成と同様である。しかし、本実施形態における揮発性フリップフロップ部1_4では、上記第2実施形態の揮発性フリップフロップ部1_2を構成する各要素251〜258が、要素251v〜258vに置き換えられている。これらの揮発性フリップフロップ部1_4の各要素251v〜258vには、他の回路とは独立に電源供給系統が設けられており、制御ロジック部3_4等に供給される電源電圧VDDとは独立に制御可能な電源電圧VDDCが供給される。
本実施形態においても上記第3実施形態と同様な効果が得られる。
The configurations of the nonvolatile storage unit 2_4 and the control logic unit 3_4 are the same as the configurations of the nonvolatile storage unit 2_2 and the control logic unit 3_2 of the second embodiment (FIG. 7). However, in the volatile flip-flop unit 1_4 in the present embodiment, the
Also in this embodiment, the same effect as the third embodiment can be obtained.
<第5実施形態>
図11はこの発明の第5実施形態である不揮発性フリップフロップ400の構成を示す回路図である。この不揮発性フリップフロップ400は、揮発性フリップフロップ部1_5と、不揮発性記憶部2_5と、制御ロジック部3_5とにより構成されている。また、揮発性フリップフロップ部1_5は、マスターラッチ部1M_5とスレーブラッチ部1S_5とにより構成されている。
<Fifth Embodiment>
FIG. 11 is a circuit diagram showing a configuration of a nonvolatile flip-
揮発性フリップフロップ部1_5および制御ロジック部3_5の構成は、上記第1実施形態(図1)の揮発性フリップフロップ部1_1および制御ロジック部3_1の構成と同様である。上記第1実施形態における不揮発性記憶部2_1では、Nチャネルトランジスタ211のソースが接地線GNDに接続されていた。これに対し、本実施形態における不揮発性記憶部2_5では、Nチャネルトランジスタ211のソースがバイアス電圧SLLを発生する電圧源に接続されている。
The configurations of the volatile flip-flop unit 1_5 and the control logic unit 3_5 are the same as the configurations of the volatile flip-flop unit 1_1 and the control logic unit 3_1 in the first embodiment (FIG. 1). In the nonvolatile memory unit 2_1 in the first embodiment, the source of the N-
本実施形態による不揮発性フリップフロップ400の通常のフリップフロップとしての動作およびストア動作は上記第1実施形態と同様である。しかし、本実施形態による不揮発性フリップフロップ400のリコール時の動作は上記第1実施形態と異なる。
The operation of the nonvolatile flip-
上記第1実施形態では、リコール動作時、活性化信号VWRとして電源電圧VDDよりも低いクランプ電圧VCLAMPをNチャネルトランジスタ209および210の各ゲートに与え、抵抗変化型素子224および223に流れる電流を抑制した。これに対し、本実施形態では、リコール動作時、活性化信号VWRとして電源電圧VDDと同じレベルの電圧を与える。その代わりに、本実施形態では、Nチャネルトランジスタ211のソースに与えるバイアス電圧SLLを0.2V〜0.4Vにすることで、抵抗変化型素子224および223の共通ノードCNのレベルSLを高め、Nチャネルトランジスタ209および210のON抵抗を大きくし、抵抗変化型素子224および223に流れる電流を抑制する。
本実施形態においても上記第1実施形態と同様な効果が得られる。
In the first embodiment, during the recall operation, a clamp voltage VCLAMP lower than the power supply voltage VDD is applied as the activation signal VWR to the gates of the N-
Also in this embodiment, the same effect as the first embodiment can be obtained.
<第6実施形態>
図12はこの発明の第6実施形態である不揮発性フリップフロップ450の構成を示す回路図である。この不揮発性フリップフロップ450は、揮発性フリップフロップ部1_6と、不揮発性記憶部2_6と、制御ロジック部3_6とにより構成されている。また、揮発性フリップフロップ部1_6は、マスターラッチ部1M_6とスレーブラッチ部1S_6とにより構成されている。
<Sixth Embodiment>
FIG. 12 is a circuit diagram showing a configuration of a nonvolatile flip-
本実施形態は、上記第1実施形態から上記第5実施形態への変更操作と同じ変更操作を上記第2実施形態に対して施したものである。本実施形態においても上記第1実施形態と同様な効果が得られる。 In the present embodiment, the same change operation as the change operation from the first embodiment to the fifth embodiment is performed on the second embodiment. Also in this embodiment, the same effect as the first embodiment can be obtained.
<第7実施形態>
図13はこの発明の第7実施形態である不揮発性フリップフロップ500の構成を示す回路図である。この不揮発性フリップフロップ500は、揮発性フリップフロップ部1_7と、不揮発性記憶部2_7と、制御ロジック部3_7とにより構成されている。また、揮発性フリップフロップ部1_7は、マスターラッチ部1M_7とスレーブラッチ部1S_7とにより構成されている。
<Seventh embodiment>
FIG. 13 is a circuit diagram showing a configuration of a nonvolatile flip-
本実施形態は、上記第1実施形態から上記第5実施形態への変更操作と同じ変更操作を上記第3実施形態に対して施したものである。本実施形態においても上記第3実施形態と同様な効果が得られる。 In the present embodiment, the same change operation as the change operation from the first embodiment to the fifth embodiment is performed on the third embodiment. Also in this embodiment, the same effect as the third embodiment can be obtained.
<第8実施形態>
図14はこの発明の第8実施形態である不揮発性フリップフロップ550の構成を示す回路図である。この不揮発性フリップフロップ550は、揮発性フリップフロップ部1_8と、不揮発性記憶部2_8と、制御ロジック部3_8とにより構成されている。また、揮発性フリップフロップ部1_8は、マスターラッチ部1M_8とスレーブラッチ部1S_8とにより構成されている。
<Eighth Embodiment>
FIG. 14 is a circuit diagram showing a configuration of a nonvolatile flip-
本実施形態は、上記第1実施形態から上記第5実施形態への変更操作と同じ変更操作を上記第4実施形態に対して施したものである。本実施形態においても上記第4実施形態と同様な効果が得られる。 In the present embodiment, the same change operation as the change operation from the first embodiment to the fifth embodiment is applied to the fourth embodiment. Also in this embodiment, the same effect as the fourth embodiment can be obtained.
<第9実施形態>
図15はこの発明の第9実施形態である不揮発性ラッチ600の構成を示す回路図である。この不揮発性ラッチ600は、揮発性ラッチ部1L_9と、不揮発性記憶部2_9と、制御ロジック部3_9とにより構成されている。
<Ninth Embodiment>
FIG. 15 is a circuit diagram showing a configuration of a
揮発性ラッチ部1L_9は、インバータ601、602、604および606と、トランスファゲート603および605と、NANDゲート617およびインバータ618と、NORゲート619およびインバータ620とにより構成されている。この揮発性ラッチ部1L_9の構成は、上記第1実施形態におけるスレーブラッチ部1S_1と同様である。
The volatile latch unit 1L_9 includes
不揮発性記憶部2_9は、Nチャネルトランジスタ607および608と、抵抗変化型素子610および611と、Nチャネルトランジスタ609とにより構成されている。この不揮発性記憶部2_9の構成は、上記第1実施形態(図1)の不揮発性記憶部2_1と同様である。
The nonvolatile memory unit 2_9 includes
次に制御ロジック部3_9について説明する。不揮発性ラッチ600には、入力データD、クロックCLK、読出許可信号REENおよび書込許可信号WEENと、活性化信号VWRが与えられる。インバータ615は、書込許可信号WEENを反転し、基準ノード接続信号/WEとして出力する。インバータ616は、この基準ノード接続信号/WEを反転し、基準ノード遮断信号WEとして出力する。
Next, the control logic unit 3_9 will be described.
NORゲート613、インバータ612および614は、クロックCLK、読出許可信号REENおよび基準ノード遮断信号WEに基づいて内部クロックCKSおよび/CKSを発生する回路を構成している。この回路は、基準ノード遮断信号WEおよび読出許可信号REENの両方がLレベルである場合に、クロックCLKと同一論理値の内部クロックCKSとクロックCLKを反転した内部クロック/CKSを発生し、基準ノード遮断信号WEまたは読出許可信号REENの少なくとも一方がHレベルである場合に、内部クロックCKSをLレベルに、内部クロック/CKSをHレベルに固定する。内部クロックCKSがLレベル、内部クロック/CKSがHレベルである場合、トランスファゲート603および605はOFFとなる。また、内部クロックCKSがHレベル、内部クロック/CKSがLレベルである場合、トランスファゲート603および605はONとなる。
NOR
本実施形態による不揮発性ラッチ600は、書込許可信号WEおよび読出許可信号REENの両方がLレベル、活性化信号VWRがLレベル(0V)の状態において、通常のラッチとして機能する。
The
不揮発性ラッチ600にストア動作を行わせる場合、書込許可信号WEがHレベル、読出許可信号REENがLレベルとされ、トランスファゲート603および605が強制的にOFFとされる。また、活性化信号VWRが電源電圧VDDよりも高い例えば1.5Vとされる。これにより揮発性ラッチ部1L_9の記憶データDSが不揮発性記憶部2_9にストアされる。このストアの動作は上記第1実施形態と同様である。
When causing the
また、不揮発性ラッチ600にリコール動作を行わせる場合、書込許可信号WEがLレベル、読出許可信号REENがHレベルとされ、トランスファゲート603および605が強制的にOFFとされる。そして、活性化信号VWRとして上記第1実施形態と同様なクランプ電圧VCLAMPがNチャネルトランジスタ607および608の各ゲートに与えられ、この状態において、不揮発性ラッチ600に対する電源電圧VDDが立ち上げられる。これにより不揮発性記憶部2_9の記憶データが読み出され、揮発性ラッチ部1L_9に保持される。このリコール動作も上記第1実施形態と同様である。
When the
本実施形態によれば、通常のラッチとしての動作が可能な他、不揮発性フリップフロップに関する上記第1〜第8実施形態と同様、ストア動作、リコール動作を安定して行わせることができる。 According to the present embodiment, an operation as a normal latch is possible, and a store operation and a recall operation can be stably performed as in the first to eighth embodiments related to the nonvolatile flip-flop.
<第10実施形態>
図16はこの発明の第10実施形態である不揮発性ラッチ650の構成を示す回路図である。この不揮発性フリップフロップ650は、揮発性ラッチ部1L_10と、不揮発性記憶部2_10と、制御ロジック部3_10とにより構成されている。
<Tenth Embodiment>
FIG. 16 is a circuit diagram showing a configuration of a
揮発性ラッチ部1L_10は、クロックトインバータ651〜653と、NANDゲート654およびインバータ655とにより構成されている。この揮発性ラッチ部1L_10の構成は、上記第2実施形態におけるスレーブラッチ部1S_2と同様である。
The volatile latch unit 1L_10 includes clocked
不揮発性記憶部2_10は、Nチャネルトランジスタ656および657と、抵抗変化型素子664および663と、Nチャネルトランジスタ658とにより構成されている。この不揮発性記憶部2_10の構成は、上記第1実施形態(図1)の不揮発性記憶部2_1と同様である。制御ロジック部3_10の構成は、上記第2実施形態(図7)の制御ロジック部3_2と同様である。
The nonvolatile memory portion 2_10 includes
本実施形態においても上記第9実施形態と同様、通常のラッチとしての動作、ストア動作、リコール動作を安定して行わせることができる。 In the present embodiment, as in the ninth embodiment, the normal latch operation, store operation, and recall operation can be performed stably.
<第11実施形態>
図17はこの発明の第11実施形態である不揮発性ラッチ700の構成を示す回路図である。この不揮発性ラッチ700は、揮発性ラッチ部1L_11と、不揮発性記憶部2_11と、制御ロジック部3_11とにより構成されている。
<Eleventh embodiment>
FIG. 17 is a circuit diagram showing a configuration of a
不揮発性記憶部2_11および制御ロジック部3_11の構成は、上記第9実施形態(図15)の不揮発性記憶部2_9および制御ロジック部3_9と同様である。しかし、揮発性ラッチ部1L_11では、上記第9実施形態の揮発性ラッチ部1L_9を構成する各要素601〜606、617〜620が、要素601v〜606v、617v〜620vに置き換えられている。これらの揮発性ラッチ部1L_11の各要素601v〜606v、617v〜620vには、他の回路とは独立に電源供給系統が設けられており、制御ロジック部3_11等に供給される電源電圧VDDとは独立に制御可能な電源電圧VDDCが供給される。
The configurations of the nonvolatile storage unit 2_11 and the control logic unit 3_11 are the same as those of the nonvolatile storage unit 2_9 and the control logic unit 3_9 of the ninth embodiment (FIG. 15). However, in the volatile latch unit 1L_11, the
本実施形態によれば、上記第9実施形態と同様な効果が得られる。それに加えて、本実施形態では、システム全体の電源電圧とは独立に、揮発性ラッチ部1L_11に対する電源電圧VDDCを単独で遮断し、あるいは立ち上げることが可能である。従って、不揮発性ラッチ700を搭載したシステムにおいて多彩な動作を実現することができる。また、本実施形態では、リコール動作時に、まず、制御ロジック部3_11等、揮発性ラッチ部1L_11以外の回路に対する電源電圧VDDを立ち上げ、その後、揮発性ラッチ部1L_11に対する電源電圧VDDCを立ち上げることにより、リコール動作の安定性を高めることが可能である。
According to this embodiment, the same effect as the ninth embodiment can be obtained. In addition, in this embodiment, the power supply voltage VDDC for the volatile latch unit 1L_11 can be cut off or started up independently of the power supply voltage of the entire system. Accordingly, various operations can be realized in a system in which the
<第12実施形態>
図18はこの発明の第12実施形態である不揮発性ラッチ750の構成を示す回路図である。この不揮発性ラッチ750は、揮発性ラッチ部1L_12と、不揮発性記憶部2_12と、制御ロジック部3_12とにより構成されている。
<Twelfth embodiment>
FIG. 18 is a circuit diagram showing a configuration of a
不揮発性記憶部2_12および制御ロジック部3_12の構成は、上記第10実施形態(図16)の不揮発性記憶部2_10および制御ロジック部3_10と同様である。しかし、揮発性ラッチ部1L_12では、上記第10実施形態の揮発性ラッチ部1L_10を構成する各要素651〜655が、要素651v〜655vに置き換えられている。これらの揮発性ラッチ部1L_12の各要素651v〜655vには、他の回路とは独立に電源供給系統が設けられており、制御ロジック部3_12等に供給される電源電圧VDDとは独立に制御可能な電源電圧VDDCが供給される。
本実施形態においても上記第11実施形態と同様な効果が得られる。
The configurations of the nonvolatile memory unit 2_12 and the control logic unit 3_12 are the same as those of the nonvolatile memory unit 2_10 and the control logic unit 3_10 of the tenth embodiment (FIG. 16). However, in the volatile latch unit 1L_12, the
Also in this embodiment, the same effect as the eleventh embodiment can be obtained.
<第13実施形態>
図19はこの発明の第13実施形態である不揮発性ラッチ800の構成を示す回路図である。この不揮発性ラッチ800は、揮発性ラッチ部1L_13と、不揮発性記憶部2_13と、制御ロジック部3_13とにより構成されている。
<13th Embodiment>
FIG. 19 is a circuit diagram showing a configuration of a
揮発性ラッチ部1L_13および制御ロジック部3_13の構成は、上記第9実施形態(図15)の揮発性ラッチ部1L_9および制御ロジック部3_9の構成と同様である。上記第9実施形態における不揮発性記憶部2_9では、Nチャネルトランジスタ609のソースが接地線GNDに接続されていた。これに対し、本実施形態における不揮発性記憶部2_13では、Nチャネルトランジスタ609のソースがバイアス電圧SLLを発生する電圧源に接続されている。すなわち、本実施形態は、第1実施形態から上記第5実施形態への変更操作を上記第9実施形態に適用したものである。
本実施形態によれば、上記第9実施形態の不揮発性ラッチにおいて上記第5実施形態と同様な効果を得ることができる。
The configurations of the volatile latch unit 1L_13 and the control logic unit 3_13 are the same as the configurations of the volatile latch unit 1L_9 and the control logic unit 3_9 of the ninth embodiment (FIG. 15). In the nonvolatile memory unit 2_9 in the ninth embodiment, the source of the N-
According to this embodiment, the same effect as that of the fifth embodiment can be obtained in the nonvolatile latch of the ninth embodiment.
<第14実施形態>
図20はこの発明の第14実施形態である不揮発性ラッチ850の構成を示す回路図である。この不揮発性ラッチ850は、揮発性ラッチ部1L_14と、不揮発性記憶部2_14と、制御ロジック部3_14とにより構成されている。
<Fourteenth embodiment>
FIG. 20 is a circuit diagram showing a configuration of a
本実施形態は、上記第9実施形態から上記第13実施形態への変更操作と同じ変更操作を上記第10実施形態に対して施したものである。本実施形態においても上記第13実施形態と同様な効果が得られる。 In the present embodiment, the same change operation as the change operation from the ninth embodiment to the thirteenth embodiment is performed on the tenth embodiment. Also in this embodiment, the same effect as the thirteenth embodiment can be obtained.
<第15実施形態>
図21はこの発明の第15実施形態である不揮発性ラッチ900の構成を示す回路図である。この不揮発性ラッチ900は、揮発性ラッチ部1L_15と、不揮発性記憶部2_15と、制御ロジック部3_15とにより構成されている。
<Fifteenth embodiment>
FIG. 21 is a circuit diagram showing a configuration of a
本実施形態は、上記第9実施形態から上記第13実施形態への変更操作と同じ変更操作を上記第11実施形態に対して施したものである。本実施形態においても上記第13実施形態と同様な効果が得られる。 In the present embodiment, the same change operation as the change operation from the ninth embodiment to the thirteenth embodiment is performed on the eleventh embodiment. Also in this embodiment, the same effect as the thirteenth embodiment can be obtained.
<第16実施形態>
図22はこの発明の第16実施形態である不揮発性ラッチ950の構成を示す回路図である。この不揮発性ラッチ950は、揮発性ラッチ部1L_16と、不揮発性記憶部2_16と、制御ロジック部3_16とにより構成されている。
<Sixteenth Embodiment>
FIG. 22 is a circuit diagram showing a configuration of a
本実施形態は、上記第9実施形態から上記第13実施形態への変更操作と同じ変更操作を上記第12実施形態に対して施したものである。本実施形態においても上記第13実施形態と同様な効果が得られる。 In the present embodiment, the same change operation as the change operation from the ninth embodiment to the thirteenth embodiment is performed on the twelfth embodiment. Also in this embodiment, the same effect as the thirteenth embodiment can be obtained.
<第17実施形態>
本実施形態は、上記第5実施形態(図11)、第6実施形態(図12)、第7実施形態(図13)、第8実施形態(図14)、第13実施形態(図19)、第14実施形態(図20)、第15実施形態(図21)、第16実施形態(図22)を変形したものである。
<Seventeenth Embodiment>
This embodiment includes the fifth embodiment (FIG. 11), the sixth embodiment (FIG. 12), the seventh embodiment (FIG. 13), the eighth embodiment (FIG. 14), and the thirteenth embodiment (FIG. 19). The fourteenth embodiment (FIG. 20), the fifteenth embodiment (FIG. 21), and the sixteenth embodiment (FIG. 22) are modified.
これらの各実施形態では、ストア動作時、Nチャネルトランジスタ211または261をOFFさせた。このため、同じデータをストアする場合であっても、不揮発性記憶部の記憶データの如何により、ストア時に2個の抵抗変化型素子に印加される電圧が変化する。例えば上記第5実施形態(図11)において、スレーブラッチ部1S_5の出力データDS=“0”を不揮発性記憶部2_5にストアする場合について検討する。まず、不揮発性記憶部2_5がデータ“0”を記憶しており、抵抗変化型素子224が低抵抗、抵抗変化型素子223が高抵抗であるとする。この場合において、Nチャネルトランジスタ209および210をONにすると、インバータ207の出力ノード(出力データ/DS=“1”)の電圧VDDを高抵抗である抵抗変化型素子223と低抵抗である抵抗変化型素子224とにより分圧することになるので、抵抗変化型素子223にはVDD/2よりも大きな電圧が掛かり、抵抗変化型素子224にはVDD/2よりも小さな電圧が掛かる。これに対し、不揮発性記憶部2_5がデータ“1”を記憶しており、抵抗変化型素子224が高抵抗、抵抗変化型素子223が低抵抗である場合において、Nチャネルトランジスタ209および210をONにすると、低抵抗である抵抗変化型素子223にはVDD/2よりも小さな電圧が掛かり、高抵抗である抵抗変化型素子224にはVDD/2よりも大きな電圧が掛かる。このように上記各実施形態では、同じデータをストアする場合であっても、不揮発性記憶部の記憶データの如何により、ストア時に2個の抵抗変化型素子の各々に印加される電圧が変化した。
In each of these embodiments, the N-
しかしながら、安定したストア動作を行わせるためには、不揮発性記憶部の記憶データの如何によらず、2個の抵抗変化型素子の各々に常に一定の大きさの電圧を印加することが好ましい。 However, in order to perform a stable store operation, it is preferable to always apply a constant voltage to each of the two resistance variable elements regardless of the data stored in the nonvolatile storage unit.
そこで、この発明の第17実施形態では、ストア動作時にも基準ノード接続信号/WEをアクティブレベルとして、Nチャネルトランジスタ211をONとし、例えばVDD/2(この例では0.6V)のバイアス電圧SLLをこのNチャネルトランジスタ211を介して共通ノードCNに供給し、共通ノードCNのバイアス電圧SLを略VDD/2(0.6V)とする。本実施形態におけるNチャネルトランジスタ211は、ストア動作時に共通ノードCNにバイアス電圧SLを与えるバイアス設定手段として機能する。
Therefore, in the seventeenth embodiment of the present invention, the reference node connection signal / WE is set to the active level even during the store operation, the N-
この場合、例えば図11において不揮発性記憶部2_5がデータ“0”を記憶しており、抵抗変化型素子224が低抵抗、抵抗変化型素子223が高抵抗であるときにNチャネルトランジスタ209および210をONにすると、抵抗変化型素子223のピン層およびフリー層間には、インバータ207の出力ノード(出力データ/DS=“1”)の電圧VDDと共通ノードCNのバイアス電圧SL=VDD/2との差分である電圧VDD/2が印加される。また、抵抗変化型素子224のフリー層およびピン層間には、共通ノードCNのバイアス電圧SL=VDD/2とインバータ208の出力ノード(出力データDS=“0”)の電圧0Vとの差分である電圧VDD/2が印加される。そして、不揮発性記憶部2_5がデータ“1”を記憶しており、抵抗変化型素子224が高抵抗、抵抗変化型素子223が低抵抗であるときにNチャネルトランジスタ209および210をONにした場合も全く同様の電圧が各抵抗変化型素子に印加される。
In this case, for example, in FIG. 11, when the nonvolatile storage unit 2_5 stores data “0”, the resistance
このように本実施形態によれば、抵抗変化型223および224の記憶データが“1”であるか“0”であるか(すなわち、いずれが高抵抗でいずれが低抵抗であるか)の如何によらず、インバータ208の出力ノード(出力データDS)と共通ノードCNとの間に印加される電圧および共通ノードCNとインバータ207の出力ノード(出力データ/DS)との間に印加される電圧を常に一定(この例ではVDD/2)にすることができる。従って、本実施形態によれば、安定したストア動作が可能な不揮発性フリップフロップおよび不揮発性ラッチを実現することができる。
As described above, according to the present embodiment, whether the stored data of the
なお、本実施形態では、リコール時に使用するNチャネルトランジスタ211をストア時にバイアス電圧SLを共通ノードCNに与えるバイアス設定手段として兼用したが、このNチャネルトランジスタ211とは別のトランジスタをバイアス設定手段として追加してもよい。この場合、ストア時にはこのバイアス設定手段としてのトランジスタをONにしてリコール動作のためのNチャネルトランジスタ211をOFFとし、リコール時にはバイアス設定手段としてのトランジスタをOFFにしてリコール動作のためのNチャネルトランジスタ211をONにすればよい。
In this embodiment, the N-
<第18実施形態>
図23はこの発明の第18実施形態である不揮発性シフトレジスタの構成を示すブロック図である。この例では、上記第1実施形態による不揮発性フリップフロップ200を4個使用し、入力データDをクロックCLKに同期して順次シフトする4ビットのシフトレジスタを構成している。
<Eighteenth embodiment>
FIG. 23 is a block diagram showing a configuration of a nonvolatile shift register according to the eighteenth embodiment of the present invention. In this example, four nonvolatile flip-
書込許可信号WEEN、読出許可信号REENおよび活性化信号VWRは、4個の不揮発性フリップフロップ200に並列に供給される。従って、4個の不揮発性フリップフロップ200に同時にストア動作およびリコール動作を行わせることが可能である。
なお、シフトレジスタを構成する不揮発性フリップフロップとして、上記第1実施形態のものの他、上記第2〜第8、第17実施形態のものを採用してもよい。
The write enable signal WEEN, the read enable signal REEN, and the activation signal VWR are supplied to the four nonvolatile flip-
In addition, as the nonvolatile flip-flop constituting the shift register, those in the second to eighth and seventeenth embodiments may be adopted in addition to those in the first embodiment.
<第19実施形態>
図24はこの発明の第19実施形態である不揮発性レジスタの構成を示すブロック図である。この例では、上記第1実施形態による不揮発性フリップフロップ200を4個使用し、4ビットのレジスタを構成している。
<Nineteenth embodiment>
FIG. 24 is a block diagram showing a configuration of a nonvolatile register according to the nineteenth embodiment of the present invention. In this example, four nonvolatile flip-
書込許可信号WEEN、読出許可信号REENおよび活性化信号VWRは、4個の不揮発性フリップフロップ200に並列に供給される。従って、4個の不揮発性フリップフロップ200に同時にストア動作およびリコール動作を行わせることが可能である。
The write enable signal WEEN, the read enable signal REEN, and the activation signal VWR are supplied to the four nonvolatile flip-
このレジスタは、一般的なレジスタと同様、広範囲の用途があり、例えば何らかの演算処理の過程において発生するデータの記憶に用いられる。演算処理の過程において、電源を遮断する必要が生じた場合、それに先立ってストア動作を各不揮発性フリップフロップ200に行わせ、その後、電源を遮断する。その後、電源を投入する際には、各不揮発性フリップフロップ200にリコール動作を行わせる。これにより電源遮断前のデータをレジスタ内に復活させることができ、演算処理を再開することができる。
This register has a wide range of uses, like a general register, and is used, for example, for storing data generated in the course of some arithmetic processing. If it is necessary to shut off the power supply in the course of the arithmetic processing, the store operation is performed in each nonvolatile flip-
なお、レジスタを構成する不揮発性フリップフロップとして、上記第1実施形態のものの他、上記第2〜第8、第17実施形態のものを採用してもよい。また、不揮発性フリップフロップではなく、上記第9〜第17実施形態の不揮発性ラッチによりレジスタを構成してもよい。 Note that the nonvolatile flip-flops constituting the register may employ the second to eighth and seventeenth embodiments in addition to the first embodiment. Further, the register may be constituted by the nonvolatile latches of the ninth to seventeenth embodiments instead of the nonvolatile flip-flop.
<第20実施形態>
図25はこの発明の第20実施形態である不揮発性カウンタの構成を示すブロック図である。本実施形態では、4個のフリップフロップ200と、図示のXORゲートおよびANDゲートにより4ビットのアップカウンタが構成されている。なお、このカウンタ自体は周知の構成であるので説明を省略する。
<20th Embodiment>
FIG. 25 is a block diagram showing the configuration of a nonvolatile counter according to the twentieth embodiment of the present invention. In the present embodiment, a 4-bit up counter is configured by the four flip-
各フリップフロプ200は、上記第1実施形態による不揮発性フリップフロップ200である。これらのフリップフロプ200にはクロックCLK、活性化信号VWR、書込許可信号WEENおよび読出許可信号REENが与えられる。
Each flip-
本実施形態では、図25に示すカウンタを通常のカウンタとして動作させる他、次のような動作をさせることが可能である。 In this embodiment, in addition to operating the counter shown in FIG. 25 as a normal counter, the following operation can be performed.
まず、図25に示すカウンタにカウント動作を行わせている過程において、電源を遮断する必要が生じた場合、カウンタを構成する各フリップフロップ200にストア動作を行わせ、その後、電源を遮断する。
First, in the process in which the counter shown in FIG. 25 performs the counting operation, when it is necessary to shut off the power, the flip-
その後、電源を投入する際に、カウンタを構成する各フリップフロップ200にリコール動作を行わせる。これにより電源遮断前のカウント値が復元され、電源遮断前のカウント値からカウント動作を再開することができる。
Thereafter, when the power is turned on, each flip-
なお、図25に示す例では、複数の不揮発性フリップフロップ200により同期カウンタを構成したが、非同期カウンタを構成してもよい。また、カウンタを構成するフリップフロップを上記第2〜第8、第17実施形態の不揮発性フリップフロップとしてもよい。
In the example shown in FIG. 25, the synchronous counter is configured by the plurality of nonvolatile flip-
1_1〜1_8……揮発性フリップフロップ部、1M_1〜1M_8……マスターラッチ部、1S_1〜1S_8……スレーブラッチ部、2_1〜2_16……不揮発性記憶部、1L_9〜1L_16……揮発性ラッチ部、3_1〜3_16……制御ロジック部、207,208……インバータ、255,256……クロックトインバータ、209,210,211,259,260,261……Nチャネルトランジスタ、224,223……抵抗変化型素子、CN……共通ノード、200,250,300,350,400,450,500,550……不揮発性フリップフロップ、600,650,700,750,800,850,900,950……不揮発性ラッチ。 1_1 to 1_8... Volatile flip-flop unit, 1M_1 to 1M_8... Master latch unit, 1S_1 to 1S_8... Slave latch unit, 2_1 to 2_16. -3_16 ... control logic section, 207, 208 ... inverter, 255, 256 ... clocked inverter, 209, 210, 211, 259, 260, 261 ... N-channel transistor, 224, 223 ... resistance change element , CN... Common node, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550... Nonvolatile flip-flop, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950.
そして、特許文献2には、このようなMTJ素子を用いて、書き換え可能な不揮発性ラッチおよびフリップフロップを構成する提案がある。図28は、この特許文献2の図1に示された不揮発性ラッチを示す回路図である。図28では、トランスファゲートTMG1およびTMG2とNORゲート10および20とにより周知のラッチが構成されている。そして、NORゲート10のPチャネルトランジスタ11のソースにMTJ素子R1の一端が、NORゲート20のPチャネルトランジスタ21のソースにMTJ素子R2の一端が接続されており、このMTJ素子R1およびR2の他端同士の接続点と電源Vddとの間にPチャネルトランジスタTr1が介挿されている。また、Pチャネルトランジスタ11とMTJ素子R1との接続点にはトランスファゲートTMG3を介してデータDが与えられるようになっており、Pチャネルトランジスタ21とMTJ素子R2との接続点にはトランスファゲートTMG4を介してデータDBが与えられるようになっている。さらにPチャネルトランジスタ11およびMTJ素子R1の接続点と電源Vddとの間にはPチャネルトランジスタTr2が介挿され、Pチャネルトランジスタ21およびMTJ素子R2の接続点と電源Vddとの間にはPチャネルトランジスタTr3が介挿されている。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228867 proposes a rewritable nonvolatile latch and flip-flop using such an MTJ element. Figure 28 is a circuit diagram of the nonvolatile latch shown in FIG. 1 of
ところで、上述した特許文献2に開示された不揮発性ラッチでは、NORゲート10および20とトランスファゲートTMG1およびTMG2からなるラッチ部に記憶されたデータQおよびQBを直接的にMTJ素子R1およびR2に書き込むことができない。ラッチ部のデータQおよびQBをMTJ素子R1およびR2に書き込むためには、このデータQおよびQBを読み出して、その後、トランスファゲートTMG3およびTMG4に与える必要がある。従って、揮発性のラッチ部に記憶されたデータをMTJ素子R1およびR2に書き込むストア動作を行わせるための制御が複雑になるという問題がある。また、特許文献2に開示された不揮発性ラッチでは、MTJ素子R1およびR2に記憶されたデータを読み出して揮発性のラッチ部に保持させるリコール動作を行う際に、まず、信号NV_RWをHレベルとして、ノードBとノードAを0Vにプリチャージする。その後、信号NV_RWをLレベルとしてPチャネルトランジスタ12および22をONさせ、MTJ素子R1およびR2に記憶されたデータの読み出しを行わせる。その際に、クロスカップルしているPチャネルトランジスタ11および21の閾値のバラツキの影響により、ノードAおよびBの挙動が不安定となり、MTJ素子R1およびR2の抵抗値の大小関係を反映した適切なデータが揮発性ラッチ部に保持されない可能性がある。さらには、特許文献2の不揮発性ラッチでは、出力ノードQおよび出力ノードQBの負荷容量に対しては言及していないが、実際には、出力ノードQおよびQBには、大きな容量が介在しており、また、使われ方によっては、出力ノードQと出力ノードQBとで負荷容量がアンバランスになることが想定される。このような場合には、リコール動作が不安定になることが懸念される。このように特許文献2の不揮発性ラッチは、ストア動作を行わせるための制御が複雑であり、リコール動作が不安定になる問題があった。また、特許文献2の不揮発性ラッチは、ストアおよびリコールの際にMTJ素子R1およびR2に流す電流を適正化するための手段を有していないため、誤書き込みや誤読み出しを有効に防止することができないという問題があった。
By the way, in the nonvolatile latch disclosed in the above-mentioned
Claims (34)
不揮発性記憶部とを有し、
前記スレーブラッチ部は、互いに相手の出力信号を各々に対する入力信号とする第1および第2のインバータを含み、クロックに同期して前記マスターラッチ部から入力データを取り込む動作と取り込んだ入力データを前記第1および第2のインバータにより保持する動作を行うものであり、
前記不揮発性記憶部は、前記第1のインバータの出力ノードと共通ノードとの間に直列に介挿された第1のスイッチおよび第1の抵抗変化型素子と、前記第2のインバータの出力ノードと前記共通ノードとの間に直列に介挿された第2のスイッチおよび第2の抵抗変化型素子と、前記共通ノードと基準ノードとの間に介挿された第3のスイッチとを有し、
前記第1および第2の抵抗変化型素子は、前記第1および第2のスイッチがON、前記第3のスイッチがOFFとされ、前記第1のインバータの出力ノードから前記第2のインバータの出力ノードに向かう電流が流れたとき、前記第1の抵抗変化型素子の抵抗値が第1の方向に、前記第2の抵抗変化型素子の抵抗値が前記第1の方向と逆方向の第2の方向に各々変化し、前記第2のインバータの出力ノードから前記第1のインバータの出力ノードに向かう電流が流れたとき、前記第1の抵抗変化型素子の抵抗値が前記第2の方向に、前記第2の抵抗変化型素子の抵抗値が前記第1の方向に各々変化する抵抗変化型素子であることを特徴とする不揮発性フリップフロップ。 A volatile flip-flop unit composed of a master latch unit and a slave latch unit;
A non-volatile storage unit,
The slave latch unit includes first and second inverters each having an output signal of each other as an input signal for each other. The slave latch unit receives the input data from the master latch unit in synchronization with a clock and the input data acquired The operation held by the first and second inverters is performed,
The nonvolatile memory section includes a first switch and a first variable resistance element inserted in series between an output node of the first inverter and a common node, and an output node of the second inverter A second switch and a second variable resistance element inserted in series between the common node and the common node, and a third switch interposed between the common node and a reference node ,
In the first and second variable resistance elements, the first and second switches are turned on and the third switch is turned off, and the output of the second inverter is output from the output node of the first inverter. When a current toward the node flows, a resistance value of the first resistance variable element is in a first direction, and a resistance value of the second resistance variable element is a second direction opposite to the first direction. When the current flows from the output node of the second inverter to the output node of the first inverter, the resistance value of the first variable resistance element changes in the second direction. A nonvolatile flip-flop, wherein the resistance value of the second variable resistance element is a variable resistance element that changes in the first direction.
前記スレーブラッチ部から前記不揮発性記憶部にデータを書き込むストアを行う場合に、前記クロックが前記第2の論理値とされることにより前記スレーブラッチ部が前記マスターラッチ部から遮断され、前記第1および第2のスイッチがON、前記第3のスイッチがOFFとされることにより、前記第1および第2の抵抗変化型素子の抵抗値の大小関係が前記第1および第2のインバータの各出力信号に応じた大小関係となることを特徴とする請求項1または2に記載の不揮発性フリップフロップ。 The slave latch unit captures input data from the master latch unit when the clock has a first logic value, and the first and second inverters cause the master latch to operate when the clock has a second logic value. The input data that is cut off from the master latch unit and taken in from the master latch unit is held,
When performing a store for writing data from the slave latch unit to the non-volatile storage unit, the slave latch unit is disconnected from the master latch unit by setting the clock to the second logical value, and the first latch When the second switch is turned on and the third switch is turned off, the magnitude relationship between the resistance values of the first and second variable resistance elements is determined by the outputs of the first and second inverters. The nonvolatile flip-flop according to claim 1 or 2, wherein the magnitude relationship is in accordance with a signal.
前記ストアを行う場合に、前記第1および第2のスイッチは、前記揮発性フリップフロップ部の高電位側電源電圧よりも高いゲート電圧によりONとされることを特徴とする請求項3に記載の不揮発性フリップフロップ。 The first and second switches are field effect transistors;
The said 1st and 2nd switch is turned ON by the gate voltage higher than the high potential side power supply voltage of the said volatile flip-flop part, when performing the said store. Non-volatile flip-flop.
前記不揮発性記憶部からデータを読み出して前記スレーブラッチ部に書き込むリコールを行う場合に、前記クロックが前記第2の論理値とされることにより前記スレーブラッチ部が前記マスターラッチ部から遮断され、前記第1および第2のスイッチがON、前記第3のスイッチがONとされ、前記揮発性フリップフロップ部に対する電源電圧が立ち上げられることにより、前記第1および第2のインバータの各出力信号の高低関係が前記第1および第2の抵抗変化型素子の抵抗値の大小関係に応じた高低関係となることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1の請求項に記載の不揮発性フリップフロップ。 The slave latch unit captures input data from the master latch unit when the clock has a first logic value, and the first and second inverters cause the master latch to operate when the clock has a second logic value. The input data that is cut off from the master latch unit and taken in from the master latch unit is held,
When performing a recall to read data from the nonvolatile storage unit and write to the slave latch unit, the slave latch unit is cut off from the master latch unit by the clock being the second logical value, The first and second switches are turned on, the third switch is turned on, and the power supply voltage for the volatile flip-flop unit is raised, so that the output signals of the first and second inverters are high and low. 5. The nonvolatile flip-flop according to claim 1, wherein the relationship is a height relationship corresponding to a magnitude relationship of resistance values of the first and second resistance change elements. .
前記リコールを行う場合に、前記第1および第2のスイッチは前記揮発性フリップフロップ部の電源電圧の立ち上がり後の前記揮発性フリップフロップ部の高電位側電源電圧のよりも低いゲート電圧によりONとされることを特徴とする請求項5に記載の不揮発性フリップフロップ。 The first and second switches are field effect transistors;
When performing the recall, the first and second switches are turned on by a gate voltage lower than the high-potential-side power supply voltage of the volatile flip-flop section after the power-supply voltage of the volatile flip-flop section rises. The nonvolatile flip-flop according to claim 5, wherein
前記リコールを行う場合に、前記揮発性フリップフロップ部の低電位側電源電圧に対してオフセットを有するバイアス電圧を前記基準ノードに供給するようにしたことを特徴とする請求項5に記載の不揮発性フリップフロップ。 The first and second switches are field effect transistors;
6. The non-volatile device according to claim 5, wherein when the recall is performed, a bias voltage having an offset with respect to a low-potential side power supply voltage of the volatile flip-flop unit is supplied to the reference node. flip flop.
前記揮発性ラッチ部は、互いに相手の出力信号を各々に対する入力信号とする第1および第2のインバータを含み、クロックが第1の論理値となることにより入力データを取り込み、クロックが第2の論理値となることにより前記入力データの供給元から前記第1および第2のインバータを遮断するものであり、
前記不揮発性記憶部は、前記第1のインバータの出力ノードと共通ノードとの間に直列に介挿された第1のスイッチおよび第1の抵抗変化型素子と、前記第2のインバータの出力ノードと前記共通ノードとの間に直列に介挿された第2のスイッチおよび第2の抵抗変化型素子と、前記共通ノードと基準ノードとの間に介挿された第3のスイッチとを有し、
前記第1および第2の抵抗変化型素子は、前記第1および第2のスイッチがON、前記第3のスイッチがOFFとされ、前記第1のインバータの出力ノードから前記第2のインバータの出力ノードに向かう電流が流れたとき、前記第1の抵抗変化型素子の抵抗値が第1の方向に、前記第2の抵抗変化型素子の抵抗値が前記第1の方向と逆方向の第2の方向に各々変化し、前記第2のインバータの出力ノードから前記第1のインバータの出力ノードに向かう電流が流れたとき、前記第1の抵抗変化型素子の抵抗値が前記第2の方向に、前記第2の抵抗変化型素子の抵抗値が前記第1の方向に各々変化する抵抗変化型素子であることを特徴とする不揮発性ラッチ。 A volatile latch unit and a nonvolatile storage unit;
The volatile latch unit includes first and second inverters each having an output signal of a counterpart as an input signal for each other, and takes in input data when the clock becomes a first logic value, and the clock receives a second Shutting off the first and second inverters from the input data source by becoming a logical value;
The nonvolatile memory section includes a first switch and a first variable resistance element inserted in series between an output node of the first inverter and a common node, and an output node of the second inverter A second switch and a second variable resistance element inserted in series between the common node and the common node, and a third switch interposed between the common node and a reference node ,
In the first and second variable resistance elements, the first and second switches are turned on and the third switch is turned off, and the output of the second inverter is output from the output node of the first inverter. When a current toward the node flows, a resistance value of the first resistance variable element is in a first direction, and a resistance value of the second resistance variable element is a second direction opposite to the first direction. When the current flows from the output node of the second inverter to the output node of the first inverter, the resistance value of the first variable resistance element changes in the second direction. The nonvolatile latch is a resistance variable element in which a resistance value of the second resistance variable element changes in each of the first directions.
前記リコールを行う場合に、前記揮発性ラッチ部の高電位側電源電圧よりも低いゲート電圧により前記第1および第2のスイッチがONとされることを特徴とする請求項12に記載の不揮発性ラッチ。 The first and second switches are field effect transistors;
The nonvolatile memory according to claim 12, wherein when the recall is performed, the first and second switches are turned on by a gate voltage lower than a high-potential side power supply voltage of the volatile latch unit. latch.
不揮発性記憶部とを有し、
前記スレーブラッチ部は、互いに相手の出力信号を各々に対する入力信号とする第1および第2のインバータを含み、クロックに同期して前記マスターラッチ部から入力データを取り込む動作と取り込んだ入力データを前記第1および第2のインバータにより保持する動作を行うものであり、
前記不揮発性記憶部は、前記第1のインバータの出力ノードと共通ノードとの間に直列に介挿された第1のスイッチおよび第1の抵抗変化型素子と、前記第2のインバータの出力ノードと前記共通ノードとの間に直列に介挿された第2のスイッチおよび第2の抵抗変化型素子と、前記共通ノードにバイアス電圧を与えるバイアス設定手段とを有し、
前記第1および第2の抵抗変化型素子は、前記第1および第2のスイッチがONとされ、前記第1のインバータの出力ノードから前記共通ノードを介して前記第2のインバータの出力ノードに向かう電流が流れたとき、前記第1の抵抗変化型素子の抵抗値が第1の方向に、前記第2の抵抗変化型素子の抵抗値が前記第1の方向と逆方向の第2の方向に各々変化し、前記第2のインバータの出力ノードから前記共通ノードを介して前記第1のインバータの出力ノードに向かう電流が流れたとき、前記第1の抵抗変化型素子の抵抗値が前記第2の方向に、前記第2の抵抗変化型素子の抵抗値が前記第1の方向に各々変化する抵抗変化型素子であることを特徴とする不揮発性フリップフロップ。 A volatile flip-flop unit composed of a master latch unit and a slave latch unit;
A non-volatile storage unit,
The slave latch unit includes first and second inverters each having an output signal of each other as an input signal for each other. The slave latch unit receives the input data from the master latch unit in synchronization with a clock and the input data acquired The operation held by the first and second inverters is performed,
The nonvolatile memory section includes a first switch and a first variable resistance element inserted in series between an output node of the first inverter and a common node, and an output node of the second inverter A second switch and a second variable resistance element inserted in series between the common node and the common node, and bias setting means for applying a bias voltage to the common node,
In the first and second variable resistance elements, the first and second switches are turned on, and the output node of the first inverter passes through the common node to the output node of the second inverter. When a flowing current flows, a resistance value of the first resistance variable element is in a first direction, and a resistance value of the second resistance variable element is a second direction opposite to the first direction. And when a current flows from the output node of the second inverter to the output node of the first inverter through the common node, the resistance value of the first resistance variable element becomes the first value. 2. A nonvolatile flip-flop, wherein the resistance change element is a resistance change element in which a resistance value of the second resistance change element changes in the first direction.
前記スレーブラッチ部から前記不揮発性記憶部にデータを書き込むストアを行う場合に、前記クロックが前記第2の論理値とされることにより前記スレーブラッチ部が前記マスターラッチ部から遮断され、前記第1および第2のスイッチがONとされることにより、前記第1および第2の抵抗変化型素子の抵抗値の大小関係が前記第1および第2のインバータの各出力信号に応じた大小関係となることを特徴とする請求項16または17に記載の不揮発性フリップフロップ。 The slave latch unit captures input data from the master latch unit when the clock has a first logic value, and the first and second inverters cause the master latch to operate when the clock has a second logic value. The input data that is cut off from the master latch unit and taken in from the master latch unit is held,
When performing a store for writing data from the slave latch unit to the non-volatile storage unit, the slave latch unit is disconnected from the master latch unit by setting the clock to the second logical value, and the first latch When the second switch is turned ON, the magnitude relationship between the resistance values of the first and second variable resistance elements becomes a magnitude relationship corresponding to the output signals of the first and second inverters. The nonvolatile flip-flop according to claim 16 or 17,
前記ストアを行う場合に、前記第1および第2のスイッチは、前記揮発性フリップフロップ部の高電位側電源電圧よりも高いゲート電圧によりONとされることを特徴とする請求項17または18に記載の不揮発性フリップフロップ。 The first and second switches are field effect transistors;
The said 1st and 2nd switch is turned ON by the gate voltage higher than the high potential side power supply voltage of the said volatile flip-flop part when performing the said store, The Claim 17 or 18 characterized by the above-mentioned. The non-volatile flip-flop as described.
前記不揮発性記憶部からデータを読み出して前記スレーブラッチ部に書き込むリコールを行う場合に、前記クロックが前記第2の論理値とされることにより前記スレーブラッチ部が前記マスターラッチ部から遮断され、前記第1および第2のスイッチがONとされ、前記揮発性フリップフロップ部に対する電源電圧が立ち上げられることにより、前記第1および第2のインバータの各出力信号の高低関係が前記第1および第2の抵抗変化型素子の抵抗値の大小関係に応じた高低関係となることを特徴とする請求項16〜19のいずれか1の請求項に記載の不揮発性フリップフロップ。 The slave latch unit captures input data from the master latch unit when the clock has a first logic value, and the first and second inverters cause the master latch to operate when the clock has a second logic value. The input data that is cut off from the master latch unit and taken in from the master latch unit is held,
When performing a recall to read data from the nonvolatile storage unit and write to the slave latch unit, the slave latch unit is cut off from the master latch unit by the clock being the second logical value, When the first and second switches are turned on and the power supply voltage for the volatile flip-flop unit is raised, the level relationship between the output signals of the first and second inverters is changed between the first and second outputs. 20. The nonvolatile flip-flop according to claim 16, wherein the nonvolatile flip-flop has a height relationship corresponding to a magnitude relationship of resistance values of the variable resistance element.
前記リコールを行う場合に、前記第1および第2のスイッチは前記揮発性フリップフロップ部の電源電圧の立ち上がり後の前記揮発性フリップフロップ部の高電位側電源電圧のよりも低いゲート電圧によりONとされることを特徴とする請求項20に記載の不揮発性フリップフロップ。 The first and second switches are field effect transistors;
When performing the recall, the first and second switches are turned on by a gate voltage lower than the high-potential-side power supply voltage of the volatile flip-flop section after the power-supply voltage of the volatile flip-flop section rises. 21. The nonvolatile flip-flop according to claim 20, wherein:
前記リコールを行う場合に、前記バイアス設定手段は、前記揮発性フリップフロップ部の低電位側電源電圧に対してオフセットを有するバイアス電圧を前記ノードに供給するようにしたことを特徴とする請求項20に記載の不揮発性フリップフロップ。 The first and second switches are field effect transistors;
21. When performing the recall, the bias setting means supplies a bias voltage having an offset with respect to a low-potential side power supply voltage of the volatile flip-flop unit to the node. Non-volatile flip-flop as described in.
前記揮発性ラッチ部は、互いに相手の出力信号を各々に対する入力信号とする第1および第2のインバータを含み、クロックが第1の論理値となることにより入力データを取り込み、クロックが第2の論理値となることにより前記入力データの供給元から前記第1および第2のインバータを遮断するものであり、
前記不揮発性記憶部は、前記第1のインバータの出力ノードと共通ノードとの間に直列に介挿された第1のスイッチおよび第1の抵抗変化型素子と、前記第2のインバータの出力ノードと前記共通ノードとの間に直列に介挿された第2のスイッチおよび第2の抵抗変化型素子と、前記共通ノードにバイアス電圧を与えるバイアス設定手段とを有し、
前記第1および第2の抵抗変化型素子は、前記第1および第2のスイッチがONとされ、前記第1のインバータの出力ノードから前記共通ノードを介して前記第2のインバータの出力ノードに向かう電流が流れたとき、前記第1の抵抗変化型素子の抵抗値が第1の方向に、前記第2の抵抗変化型素子の抵抗値が前記第1の方向と逆方向の第2の方向に各々変化し、前記第2のインバータの出力ノードから前記共通ノードを介して前記第1のインバータの出力ノードに向かう電流が流れたとき、前記第1の抵抗変化型素子の抵抗値が前記第2の方向に、前記第2の抵抗変化型素子の抵抗値が前記第1の方向に各々変化する抵抗変化型素子であることを特徴とする不揮発性ラッチ。 A volatile latch unit and a nonvolatile storage unit;
The volatile latch unit includes first and second inverters each having an output signal of a counterpart as an input signal for each other, and takes in input data when the clock becomes a first logic value, and the clock receives a second Shutting off the first and second inverters from the input data source by becoming a logical value;
The nonvolatile memory section includes a first switch and a first variable resistance element inserted in series between an output node of the first inverter and a common node, and an output node of the second inverter A second switch and a second variable resistance element inserted in series between the common node and the common node, and bias setting means for applying a bias voltage to the common node,
In the first and second variable resistance elements, the first and second switches are turned on, and the output node of the first inverter passes through the common node to the output node of the second inverter. When a flowing current flows, a resistance value of the first resistance variable element is in a first direction, and a resistance value of the second resistance variable element is a second direction opposite to the first direction. And when a current flows from the output node of the second inverter to the output node of the first inverter through the common node, the resistance value of the first resistance variable element becomes the first value. The nonvolatile latch is a resistance variable element in which a resistance value of the second resistance variable element changes in each direction in the first direction.
前記リコールを行う場合に、前記揮発性ラッチ部の高電位側電源電圧よりも低いゲート電圧により前記第1および第2のスイッチがONとされることを特徴とする請求項28に記載の不揮発性ラッチ。 The first and second switches are field effect transistors;
The nonvolatile memory according to claim 28, wherein when the recall is performed, the first and second switches are turned on by a gate voltage lower than a high-potential side power supply voltage of the volatile latch unit. latch.
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