JP5483265B2 - Non-volatile CAM - Google Patents

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Description

本発明は、CAM(Content Addressable Memory)に関する。特に、本発明は、磁気抵抗素子を利用した不揮発性のCAMに関する。   The present invention relates to a CAM (Content Addressable Memory). In particular, the present invention relates to a nonvolatile CAM using a magnetoresistive element.

CAMは、入力データ(検索データ)と記憶データとの比較を行い、一致した記憶データのアドレスを出力する。一般的にCAMは、この比較動作をすべての記憶データに対して並列に行うため、高速にデータを検索できる。こうした機能を有するCAMは、幅広い領域で利用されており、例えば、ネットワークルータやキャシュメモリなどで利用されている。   The CAM compares the input data (search data) with the stored data and outputs the address of the matched stored data. In general, since the CAM performs this comparison operation on all stored data in parallel, data can be retrieved at high speed. CAMs having such functions are used in a wide range of areas, such as network routers and cache memories.

CAMの記憶素子としては、SRAM(Static Random Access Memory)をベースとしたCAMセルが広く知られている。CAMセルとしては、2つの論理状態“0”、“1”を記憶できるものと、3つの論理状態“0”、“1”、“X”を記憶できるものが知られている。後者は、TCAM(Ternary CAM)セルとも呼ばれている。ここで、“X”状態のビットは“Don’t care”を意味し、検索データとして“0”が入力されても“1”が入力されても一致とみなされる。SRAMをベースとしたこれらのCAMセルは、高速に、例えば、数nsでデータ検索を実行できる。   As a CAM storage element, a CAM cell based on SRAM (Static Random Access Memory) is widely known. As the CAM cell, a cell that can store two logic states “0” and “1” and a cell that can store three logic states “0”, “1”, and “X” are known. The latter is also called a TCAM (Ternary CAM) cell. Here, the bit in the “X” state means “Don't care”, and it is regarded as a match whether “0” or “1” is input as search data. These CAM cells based on SRAM can perform data retrieval at high speed, for example, in a few ns.

しかしながら、SRAMベースのCAMは、電源を遮断するとデータが失われる揮発性の素子である。そのため、揮発性CAMが搭載されたシステムでは、何らかの対策なしには、電源立ち上げ後に、電源遮断前の状態から動作を継続させることはできない。   However, the SRAM-based CAM is a volatile element that loses data when the power is turned off. For this reason, in a system equipped with a volatile CAM, the operation cannot be continued from the state before the power is shut off after the power is turned on without any countermeasure.

この問題を解決するための1つの手法は、別途用意した不揮発性メモリにデータを退避させることである。具体的には、電源遮断前に、CAMに記憶されたデータを不揮発性メモリに転送・保存し、電源立ち上げ後には、不揮発性メモリからCAMへデータを書き込む。これにより、電源が遮断されてもデータは保存される。しかしながら、この手法は、CAMと不揮発性メモリとの間のデータのやり取りに時間がかかるという問題がある。CAMと不揮発性メモリとの間のデータのやり取りを高速化するためには、バス幅を広げることも考えられるが、これは、配線数を増加させ、チップ面積及びコストの増大を招く。更に、停電などの予期せぬ電力低下の場合、CAMに格納されている最新データを不揮発性メモリに転送できない恐れもある。   One technique for solving this problem is to save data in a separately prepared nonvolatile memory. Specifically, the data stored in the CAM is transferred to and stored in the nonvolatile memory before the power is shut off, and the data is written from the nonvolatile memory to the CAM after the power is turned on. As a result, the data is preserved even when the power is turned off. However, this method has a problem that it takes time to exchange data between the CAM and the nonvolatile memory. In order to increase the speed of data exchange between the CAM and the non-volatile memory, it is conceivable to increase the bus width. However, this increases the number of wires, leading to an increase in chip area and cost. Furthermore, in the case of an unexpected power reduction such as a power failure, there is a possibility that the latest data stored in the CAM cannot be transferred to the nonvolatile memory.

他の手法として、主電源の低下を検知して、主電源からバックアップ用のバッテリーへ切り替える技術がある。これにより、CAMには常に電力が供給されるため、CAMのデータは保存される。しかしながら、データを保存するためにバッテリーの電力が消費され、バッテリーが切れる可能性がある点、バッテリーなどの追加部品のコストがかさむ点などが問題である。   As another method, there is a technique of detecting a drop in the main power source and switching from the main power source to a backup battery. Thereby, since power is always supplied to the CAM, the CAM data is stored. However, there are problems in that the power of the battery is consumed to store the data and the battery may run out, and the cost of additional parts such as the battery is increased.

更に他の手法は、揮発性の素子の代わりに、不揮発性の素子をCAMセル自体に適用することである。このような手法は、例えば、特許文献1(特開2005−259206号公報)や特許文献2(特表2004−525473号公報)に開示されている。   Yet another approach is to apply a non-volatile element to the CAM cell itself instead of a volatile element. Such a technique is disclosed in, for example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-259206) and Patent Document 2 (Japanese Patent Publication No. 2004-525473).

特許文献1に記載された磁気連想メモリによれば、導電線マトリックス中のデジット導電線とビット導電線との交点に、擬スピンバルブ膜セルからなる記憶セルが配置される。記憶セルは、ソフト磁性層とハード磁性層とが非磁性層を介して対向した構造を有する。列方向に並ぶ複数の記憶セルが、検出用導電線によって電気的に直列接続され、それにより記憶セル列が構成される。ビット導電線は検索データ入力線として用いられ、検出用導電線は読み出し情報出力線として用いられる。しかしながら、直列に接続される記憶セルの数が増加すると、“一致”を示す検出用導電線と“不一致”を示す検出用導電線との間で十分な信号差を確保することが難しくなる。そのため、大容量化が困難であるという問題がある。   According to the magnetic associative memory described in Patent Document 1, a memory cell composed of a pseudo spin valve film cell is arranged at the intersection of a digit conductive line and a bit conductive line in a conductive line matrix. The memory cell has a structure in which a soft magnetic layer and a hard magnetic layer are opposed to each other through a nonmagnetic layer. A plurality of memory cells arranged in the column direction are electrically connected in series by a detection conductive line, thereby forming a memory cell column. The bit conductive line is used as a search data input line, and the detection conductive line is used as a read information output line. However, when the number of memory cells connected in series increases, it becomes difficult to secure a sufficient signal difference between the detection conductive line indicating “match” and the detection conductive line indicating “mismatch”. Therefore, there is a problem that it is difficult to increase the capacity.

特許文献2には、コンテント・アドレッサブル磁気ランダムアクセスメモリが記載されている。そのメモリセルは、MTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子のペア、比較及び一致検出回路、タグビット線対、タグプログラム線対、イネーブル線、ワード線、デジット線、及びマッチ線を含む。マッチ線には、タグビット線対への入力データとセルに格納されたデータとの一致/不一致を示す情報が出力される。タグプログラム線対とデジット線は互いに直交しており、一対のMTJ素子は、タグプログラム線対のそれぞれとデジット線との間に挟まれるように配置される。データ書き込み時、タグプログラム線対とデジット線とを選択することにより、書き込み対象のMTJ素子を選択することができる。そして、タグプログラム線対及びデジット線の両方に書き込み電流が流され、その書き込み電流により発生する磁界が選択MTJ素子に印加され、それにより所望のデータが選択MTJ素子に書き込まれる。しかしながら、この方式の場合、書き込み電流が磁場を発生する効率が低く、大きな書き込み電流(典型的には数mA)が必要である。従って、書き込み電流を供給する回路に用いられるトランジスタのサイズが大きくなり、周辺回路の面積が増加する。また、1つのメモリセルが14個のトランジスタを必要とするため、セル面積を小さくすることが困難である。   Patent Document 2 describes a content / addressable magnetic random access memory. The memory cell includes a pair of MTJ (Magnetic Tunnel Junction) elements, a comparison and coincidence detection circuit, a tag bit line pair, a tag program line pair, an enable line, a word line, a digit line, and a match line. Information indicating a match / mismatch between the input data to the tag bit line pair and the data stored in the cell is output to the match line. The tag program line pair and the digit line are orthogonal to each other, and the pair of MTJ elements are arranged so as to be sandwiched between each of the tag program line pair and the digit line. At the time of data writing, the MTJ element to be written can be selected by selecting the tag program line pair and the digit line. Then, a write current is supplied to both the tag program line pair and the digit line, and a magnetic field generated by the write current is applied to the selected MTJ element, whereby desired data is written to the selected MTJ element. However, in this method, the write current has a low efficiency in generating a magnetic field, and a large write current (typically several mA) is required. Accordingly, the size of a transistor used in a circuit that supplies a write current increases, and the area of a peripheral circuit increases. In addition, since one memory cell requires 14 transistors, it is difficult to reduce the cell area.

特開2005−259206号公報JP 2005-259206 A 特表2004−525473号公報JP-T-2004-525473

本発明の1つの目的は、磁気抵抗素子を利用した新たな不揮発性CAMを提供することにある。   One object of the present invention is to provide a new nonvolatile CAM using a magnetoresistive element.

本発明の1つの観点において、複数のCAMセルを備えるCAMが提供される。複数のCAMセルの各々は、記憶データを不揮発的に記憶する不揮発性記憶部と、電位保持部と、一致検出部とを備える。   In one aspect of the present invention, a CAM comprising a plurality of CAM cells is provided. Each of the plurality of CAM cells includes a nonvolatile storage unit that stores stored data in a nonvolatile manner, a potential holding unit, and a coincidence detection unit.

不揮発性記憶部は、第1書き込みビット線と第2書き込みビット線との間をつなぐ書き込み電流配線を有する。ここで、書き込み電流は、書き込み電流配線を通して第1書き込みビット線と第2書き込みビット線との間を流れる。不揮発性記憶部は更に、書き込み電流によって記憶データが書き込まれる第1磁気抵抗素子と、書き込み電流によって記憶データの反転データが書き込まれる第2磁気抵抗素子と、を有する。   The nonvolatile memory unit includes a write current wiring that connects between the first write bit line and the second write bit line. Here, the write current flows between the first write bit line and the second write bit line through the write current wiring. The nonvolatile storage unit further includes a first magnetoresistive element in which stored data is written by a write current, and a second magnetoresistive element in which inverted data of the stored data is written by a write current.

電位保持部は、第1ノードと第2ノードとを有する。第1ノードは、第1磁気抵抗素子の一端に接続され、記憶データに応じた第1電位を保持する。第2磁気抵抗素子の一端に接続され、反転データに応じた第2電位を保持する。   The potential holding unit has a first node and a second node. The first node is connected to one end of the first magnetoresistive element and holds a first potential corresponding to stored data. Connected to one end of the second magnetoresistive element and holds a second potential according to the inverted data.

一致検出部は、検索データと記憶データとの一致を判定し、当該判定の結果に応じてマッチ線の電位を制御する。詳細には、一致検出部は、第1ノード、第2ノード、及び検索データに応じた電位が印加されるサーチ線に接続される。検索データが記憶データに一致する場合、一致検出部はマッチ線を第1状態に設定する。検索データが反転データに一致する場合、一致検出部はマッチ線を第2状態に設定する。   The match detection unit determines a match between the search data and the stored data, and controls the potential of the match line according to the determination result. Specifically, the coincidence detection unit is connected to the first node, the second node, and a search line to which a potential corresponding to the search data is applied. When the search data matches the stored data, the match detection unit sets the match line to the first state. When the search data matches the inverted data, the match detection unit sets the match line to the second state.

本発明の他の観点において、複数のCAMセルを備えるCAMが提供される。複数のCAMセルの各々は、書き込み電流配線と、第1磁気抵抗素子と、第2磁気抵抗素子と、第1トランジスタと、第2トランジスタと、第1ノードと、第2ノードと、第1インバータと、第2インバータと、第3トランジスタと、第4トランジスタと、第5トランジスタと、第6トランジスタとを備える。   In another aspect of the present invention, a CAM comprising a plurality of CAM cells is provided. Each of the plurality of CAM cells includes a write current wiring, a first magnetoresistive element, a second magnetoresistive element, a first transistor, a second transistor, a first node, a second node, and a first inverter. And a second inverter, a third transistor, a fourth transistor, a fifth transistor, and a sixth transistor.

書き込み電流配線には、書き込み電流が流れる。その書き込み電流によって、第1磁気抵抗素子には記憶データが書き込まれ、第2磁気抵抗素子には記憶データの反転データが書き込まれる。第1トランジスタは、書き込み電流配線と第1書き込みビット線との間に介在し、そのゲートは書き込みワード線に接続されている。第2トランジスタは、書き込み電流配線と第2書き込みビット線との間に介在し、そのゲートは書き込みワード線に接続されている。   A write current flows through the write current wiring. With the write current, stored data is written to the first magnetoresistive element, and inverted data of the stored data is written to the second magnetoresistive element. The first transistor is interposed between the write current line and the first write bit line, and the gate thereof is connected to the write word line. The second transistor is interposed between the write current line and the second write bit line, and the gate thereof is connected to the write word line.

第1インバータの入力端子は第2ノードに接続され、その出力端子は第1ノードに接続され、そのPMOSトランジスタのソースは電源線に接続され、そのNMOSトランジスタのソースは第1磁気抵抗素子の一端に接続されている。第2インバータの入力端子は第1ノードに接続され、その出力端子は第2ノードに接続され、そのPMOSトランジスタのソースは電源線に接続され、そのNMOSトランジスタのソースは第2磁気抵抗素子の一端に接続されている。   The input terminal of the first inverter is connected to the second node, the output terminal is connected to the first node, the source of the PMOS transistor is connected to the power supply line, and the source of the NMOS transistor is one end of the first magnetoresistive element. It is connected to the. The input terminal of the second inverter is connected to the first node, the output terminal is connected to the second node, the source of the PMOS transistor is connected to the power supply line, and the source of the NMOS transistor is one end of the second magnetoresistive element. It is connected to the.

第3トランジスタのゲートは第2ノードに接続され、そのドレインはマッチ線に接続されている。第4トランジスタのゲートは第1ノードに接続され、そのドレインはマッチ線に接続されている。第5トランジスタのゲートは第1サーチ線に接続され、そのソースは接地され、そのドレインは第3トランジスタのソースに接続されている。第6トランジスタのゲートは第2サーチ線に接続され、そのソースは接地され、そのドレインは第4トランジスタのソースに接続されている。   The gate of the third transistor is connected to the second node, and its drain is connected to the match line. The gate of the fourth transistor is connected to the first node, and its drain is connected to the match line. The gate of the fifth transistor is connected to the first search line, its source is grounded, and its drain is connected to the source of the third transistor. The gate of the sixth transistor is connected to the second search line, its source is grounded, and its drain is connected to the source of the fourth transistor.

本発明によれば、磁気抵抗素子を利用した新たな不揮発性CAMが提供される。本発明に係る不揮発性CAMによれば、電源立ち上げ後、直ちに電源遮断前の状態に復帰することが可能である。   According to the present invention, a new nonvolatile CAM using a magnetoresistive element is provided. According to the non-volatile CAM of the present invention, it is possible to immediately return to the state before turning off the power after the power is turned on.

上記及び他の目的、長所、特徴は、次の図面と共に説明される本発明の実施の形態により明らかになるであろう。
図1は、本発明の実施の形態に係るCAMの構成を概略的に示すブロック図である。 図2は、本発明の第1の実施の形態に係るCAMセルの構成を示す回路図である。 図3は、本実施の形態に係るCAMセルにおける、MTJ素子へのデータ書き込み動作、及びMTJ素子から電位保持部へのデータ転送動作を示すタイミングチャートである。 図4は、本実施の形態に係るCAMセルにおける、電位保持部へのデータ書き込み動作、及び電位保持部からのデータ読み出し動作を示すタイミングチャートである。 図5は、本実施の形態に係るCAMセルにおける、データ検索動作を示すタイミングチャートである。 図6は、本実施の形態に係るMTJ構成の第1の例を示す平面図である。 図7は、図6中の線A−A’に沿った構造を示す断面図である。 図8は、本実施の形態に係るMTJ構成の第2の例を示す平面図である。 図9は、図8中の線A−A’に沿った構造を示す断面図である。 図10は、本実施の形態に係るMTJ構成の第3の例を示す平面図である。 図11は、図10中の線A−A’に沿った構造を示す断面図である。 図12は、図10中の線B−B’に沿った構造を示す断面図である。 図13は、本実施の形態に係るCAMセルの変形例を示す回路図である。 図14は、本実施の形態に係るCAMセルの変形例を示す回路図である。 図15は、本発明の第2の実施の形態に係るCAMセルの構成を示す回路図である。 図16は、本発明の第2の実施の形態に係るCAMの構成を概略的に示すブロック図である。 図17は、本発明の第3の実施の形態に係るTCAMセルの構成を示す回路図である。 図18は、本発明の第4の実施の形態に係るCAMセルの構成を示す回路図である。 図19は、本発明の第5の実施の形態に係るCAMセルの構成を示す回路図である。 図20は、第5の実施の形態に係るCAMセルの変形例を示す回路図である。 図21は、第5の実施の形態に係るCAMセルの他の変形例を示す回路図である。 図22は、図21で示されたCAMセルの場合のCAMの構成を概略的に示すブロック図である。 図23は、第5の実施の形態に係るCAMセルにおける、MTJ素子へのデータ書き込み動作、及びMTJ素子から電位保持部へのデータ転送動作を示すタイミングチャートである。 図24は、本実施の形態に係るCAMセルにおける、MTJ素子から電位保持部へのデータ転送動作を示すタイミングチャートである。
The above and other objects, advantages, and features will become apparent from the embodiments of the present invention described in conjunction with the following drawings.
FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of a CAM according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of the CAM cell according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a timing chart showing a data write operation to the MTJ element and a data transfer operation from the MTJ element to the potential holding unit in the CAM cell according to the present embodiment. FIG. 4 is a timing chart showing a data write operation to the potential holding unit and a data read operation from the potential holding unit in the CAM cell according to the present embodiment. FIG. 5 is a timing chart showing a data search operation in the CAM cell according to the present embodiment. FIG. 6 is a plan view showing a first example of the MTJ configuration according to the present embodiment. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a structure taken along line AA ′ in FIG. FIG. 8 is a plan view showing a second example of the MTJ configuration according to the present embodiment. FIG. 9 is a cross-sectional view showing a structure taken along line AA ′ in FIG. FIG. 10 is a plan view showing a third example of the MTJ configuration according to the present embodiment. FIG. 11 is a cross-sectional view showing a structure taken along line AA ′ in FIG. FIG. 12 is a cross-sectional view showing a structure taken along line BB ′ in FIG. FIG. 13 is a circuit diagram showing a modification of the CAM cell according to the present embodiment. FIG. 14 is a circuit diagram showing a modification of the CAM cell according to the present embodiment. FIG. 15 is a circuit diagram showing a configuration of a CAM cell according to the second embodiment of the present invention. FIG. 16 is a block diagram schematically showing the configuration of the CAM according to the second embodiment of the present invention. FIG. 17 is a circuit diagram showing a configuration of a TCAM cell according to the third embodiment of the present invention. FIG. 18 is a circuit diagram showing a configuration of a CAM cell according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 19 is a circuit diagram showing a configuration of a CAM cell according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 20 is a circuit diagram showing a modification of the CAM cell according to the fifth embodiment. FIG. 21 is a circuit diagram showing another modification of the CAM cell according to the fifth embodiment. FIG. 22 is a block diagram schematically showing the configuration of the CAM in the case of the CAM cell shown in FIG. FIG. 23 is a timing chart showing a data write operation to the MTJ element and a data transfer operation from the MTJ element to the potential holding unit in the CAM cell according to the fifth embodiment. FIG. 24 is a timing chart showing a data transfer operation from the MTJ element to the potential holding unit in the CAM cell according to the present embodiment.

添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係るCAM及びCAMセルを説明する。本実施の形態に係るCAMは、CAMセルに磁気抵抗素子を適用した不揮発性のCAMである。   A CAM and a CAM cell according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The CAM according to the present embodiment is a non-volatile CAM in which a magnetoresistive element is applied to a CAM cell.

図1は、本実施の形態に係るCAMの構成を概略的に示すブロック図である。本実施の形態に係るCAMは、アレイ状に配置された複数のCAMセル10、複数のワード線WL、複数の電源線PL、複数の書き込みワード線WWL、複数のマッチ線ML、複数のサーチ線対SL、SLB、複数の書き込みビット線対WBL、WBLB、及び一致検出回路100を備えている。ワード線WL、電源線PL、書き込みワード線WWL、及びマッチ線MLは、X方向に延設されている。一方、サーチ線対SL、SLBと書き込みビット線対WBL、WBLBは、Y方向に延設されている。一致検出回路100は、複数のマッチ線MLに接続されている。検索動作時、一致検出回路100は、マッチ線MLに出力される情報に基づいて、入力データ(検索データ)と一致する行を検出する。   FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of the CAM according to the present embodiment. The CAM according to the present embodiment includes a plurality of CAM cells 10 arranged in an array, a plurality of word lines WL, a plurality of power supply lines PL, a plurality of write word lines WWL, a plurality of match lines ML, and a plurality of search lines. A pair SL, SLB, a plurality of write bit line pairs WBL, WBLB, and a coincidence detection circuit 100 are provided. The word line WL, the power supply line PL, the write word line WWL, and the match line ML are extended in the X direction. On the other hand, the search line pair SL, SLB and the write bit line pair WBL, WBLB extend in the Y direction. The coincidence detection circuit 100 is connected to a plurality of match lines ML. During the search operation, the match detection circuit 100 detects a row that matches the input data (search data) based on the information output to the match line ML.

以下、CAMセル10の様々な形態を詳細に説明する。   Hereinafter, various forms of the CAM cell 10 will be described in detail.

1.第1の実施の形態
1−1.セル構成
図2は、本発明の第1の実施の形態に係るCAMセル10の構成を示す回路図である。図2に示されるCAMセル10は、第1磁気抵抗素子R、第2磁気抵抗素子RB、第1ノードD、第2ノードDB、NMOSトランジスタM3〜M6、M9〜M12、PMOSトランジスタM1、M2、M7、M8、及び書き込み電流配線(ノードN1)を有している。また、CAMセル10は、ワード線WL、マッチ線ML、電源線PL、書き込みワード線WWL、サーチ線対SL、SLB、及び書き込みビット線対WBL、WBLBに接続されている。
1. 1. First embodiment 1-1. Cell Configuration FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of the CAM cell 10 according to the first embodiment of the present invention. The CAM cell 10 shown in FIG. 2 includes a first magnetoresistive element R, a second magnetoresistive element RB, a first node D, a second node DB, NMOS transistors M3 to M6, M9 to M12, PMOS transistors M1, M2, M7 and M8 and a write current wiring (node N1) are included. The CAM cell 10 is connected to a word line WL, a match line ML, a power supply line PL, a write word line WWL, a search line pair SL, SLB, and a write bit line pair WBL, WBLB.

(不揮発性記憶部20)
磁気抵抗素子R、RBは、CAMセル10に記憶データ(記憶ビット)を不揮発的に記憶させるために用いられる。磁気抵抗素子R、RBとして、例えばMTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子が用いられる。MTJ素子Rの一端はNMOSトランジスタM4のソースに接続されており、MTJ素子RBの一端はNMOSトランジスタM3のソースに接続されている。MTJ素子R、RBの他端同士は電気的に接続されている。図2の例では、MTJ素子R、RBの他端は共に、書き込み電流配線(ノードN1)に接続されている。
(Nonvolatile storage unit 20)
The magnetoresistive elements R and RB are used for storing storage data (storage bits) in the CAM cell 10 in a nonvolatile manner. As the magnetoresistive elements R and RB, for example, MTJ (Magnetic Tunnel Junction) elements are used. One end of the MTJ element R is connected to the source of the NMOS transistor M4, and one end of the MTJ element RB is connected to the source of the NMOS transistor M3. The other ends of the MTJ elements R and RB are electrically connected. In the example of FIG. 2, the other ends of the MTJ elements R and RB are both connected to the write current wiring (node N1).

書き込み電流配線(ノードN1)は、書き込みビット線対WBL、WBLBの間をつないでいる。より詳細には、図2の例において、書き込み電流配線の一端はNMOSトランジスタM5を介して書き込みビット線WBLに接続されており、書き込み電流配線の他端はNMOSトランジスタM6を介して書き込みビット線WBLBに接続されている。言い換えれば、NMOSトランジスタM5は、書き込み電流配線と書き込みビット線WBLとの間に介在しており、NMOSトランジスタM6は、書き込み電流配線と書き込みビット線WBLBとの間に介在している。NMOSトランジスタM5、M6のゲートは共に書き込みワード線WWLに接続されている。   The write current wiring (node N1) connects between the write bit line pair WBL and WBLB. More specifically, in the example of FIG. 2, one end of the write current wiring is connected to the write bit line WBL via the NMOS transistor M5, and the other end of the write current wiring is connected to the write bit line WBLB via the NMOS transistor M6. It is connected to the. In other words, the NMOS transistor M5 is interposed between the write current line and the write bit line WBL, and the NMOS transistor M6 is interposed between the write current line and the write bit line WBLB. The gates of the NMOS transistors M5 and M6 are both connected to the write word line WWL.

後に詳述されるように、MTJ素子R、RBにデータを書き込む際、書き込み電流配線には書き込み電流Iwが流れる。すなわち、書き込み電流Iwは、書き込み電流配線を通して書き込みビット線WBL、WBLBの間を流れる。書き込み電流Iwの方向(WBLからWBLBへ、あるいは、WBLBからWBLへ)は、書き込まれるデータに依存する。この書き込み電流によって、MTJ素子Rには記憶データが書き込まれ、MTJ素子RBには記憶データの反転データが書き込まれる。すなわち、各CAMセル10の書き込み電流配線を流れる書き込み電流Iwによって、当該CAMセル10のMTJ素子R、RBには相補データが書き込まれる。   As will be described in detail later, when data is written to the MTJ elements R and RB, a write current Iw flows through the write current wiring. That is, the write current Iw flows between the write bit lines WBL and WBLB through the write current wiring. The direction of the write current Iw (from WBL to WBLB or from WBLB to WBL) depends on the data to be written. With this write current, storage data is written to the MTJ element R, and inverted data of the storage data is written to the MTJ element RB. That is, complementary data is written to the MTJ elements R and RB of the CAM cell 10 by the write current Iw flowing through the write current wiring of each CAM cell 10.

以上に説明された書き込み電流配線、NMOSトランジスタM5、M6、書き込みワード線WWL、及び書き込みビット線対WBL、WBLBは、「書き込み電流供給部」を構成している。更に、その書き込み電流供給部とMTJ素子R、RBが「不揮発性記憶部20」を構成している。不揮発性記憶部20は、CAMセル10に対応付けられた記憶データを不揮発的に記憶する。   The write current wiring, NMOS transistors M5 and M6, write word line WWL, and write bit line pair WBL and WBLB described above constitute a “write current supply unit”. Further, the write current supply unit and the MTJ elements R and RB constitute the “nonvolatile memory unit 20”. The nonvolatile storage unit 20 stores the storage data associated with the CAM cell 10 in a nonvolatile manner.

(電位保持部15)
PMOSトランジスタM2とNMOSトランジスタM4は、第1インバータを構成する。第1インバータの入力端子及び出力端子は、それぞれ第2ノードDB及び第1ノードDに接続されている。より詳細には、PMOSトランジスタM2のゲート、ソース、ドレインは、それぞれ、第2ノードDB、電源線PL、第1ノードDに接続されている。NMOSトランジスタM4のゲート、ソース、ドレインは、それぞれ、第2ノードDB、MTJ素子Rの一端、第1ノードDに接続されている。
(Potential holding part 15)
The PMOS transistor M2 and the NMOS transistor M4 constitute a first inverter. An input terminal and an output terminal of the first inverter are connected to the second node DB and the first node D, respectively. More specifically, the gate, source, and drain of the PMOS transistor M2 are connected to the second node DB, the power supply line PL, and the first node D, respectively. The gate, source, and drain of the NMOS transistor M4 are connected to the second node DB, one end of the MTJ element R, and the first node D, respectively.

PMOSトランジスタM1とNMOSトランジスタM3は、第2インバータを構成する。第2インバータの入力端子及び出力端子は、それぞれ第1ノードD及び第2ノードDBに接続されている。より詳細には、PMOSトランジスタM1のゲート、ソース、ドレインは、それぞれ、第1ノードD、電源線PL、第2ノードDBに接続されている。NMOSトランジスタM3のゲート、ソース、ドレインは、それぞれ、第1ノードD、MTJ素子RBの一端、第2ノードDBに接続されている。   The PMOS transistor M1 and the NMOS transistor M3 constitute a second inverter. An input terminal and an output terminal of the second inverter are connected to the first node D and the second node DB, respectively. More specifically, the gate, source, and drain of the PMOS transistor M1 are connected to the first node D, the power supply line PL, and the second node DB, respectively. The gate, source, and drain of the NMOS transistor M3 are connected to the first node D, one end of the MTJ element RB, and the second node DB, respectively.

このように、第1インバータと第2インバータはクロスカップルしている。そして、第1ノードD、第2ノードDB、第1インバータ及び第2インバータが、「電位保持部15」を構成している。第1ノードDは、NMOSトランジスタM4を介して、MTJ素子Rの一端に接続されている。一方、第2ノードDBは、NMOSトランジスタM3を介して、MTJ素子RBの一端に接続されている。後に詳述されるように、第1ノードDは、MTJ素子Rに書き込まれた記憶データに応じた第1電位を保持する。一方、第2ノードDBは、MTJ素子RBに書き込まれた反転データに応じた第2電位を保持する。第1電位と第2電位のうち一方がハイレベルであり、他方がローレベルである。   Thus, the first inverter and the second inverter are cross-coupled. The first node D, the second node DB, the first inverter, and the second inverter constitute the “potential holding unit 15”. The first node D is connected to one end of the MTJ element R through the NMOS transistor M4. On the other hand, the second node DB is connected to one end of the MTJ element RB via the NMOS transistor M3. As will be described in detail later, the first node D holds the first potential corresponding to the stored data written in the MTJ element R. On the other hand, the second node DB holds a second potential corresponding to the inverted data written in the MTJ element RB. One of the first potential and the second potential is at a high level, and the other is at a low level.

尚、第1ノードDは、PMOSトランジスタM7を介してサーチ線SLに接続されている。つまり、PMOSトランジスタM7のソース/ドレインの一方がサーチ線SLに接続され、その他方が第1ノードDに接続されている。また、第2ノードDBは、PMOSトランジスタM8を介してサーチ線SLBに接続されている。つまり、PMOSトランジスタM8のソース/ドレインの一方がサーチ線SLBに接続され、その他方が第2ノードDBに接続されている。PMOSトランジスタM7、M8のゲートは共に、ワード線WLに接続されている。後に詳述されるように、これらワード線WL及びサーチ線SL、SLBを用いることによって、ノードD、DBを所望の電位に設定(充電)することができる。   The first node D is connected to the search line SL through the PMOS transistor M7. That is, one of the source / drain of the PMOS transistor M7 is connected to the search line SL, and the other is connected to the first node D. The second node DB is connected to the search line SLB via the PMOS transistor M8. That is, one of the source / drain of the PMOS transistor M8 is connected to the search line SLB, and the other is connected to the second node DB. The gates of the PMOS transistors M7 and M8 are both connected to the word line WL. As will be described in detail later, by using these word lines WL and search lines SL and SLB, the nodes D and DB can be set (charged) to desired potentials.

(一致検出部25)
NMOSトランジスタM9のゲート、ソース、及びドレインは、それぞれ、第2ノードDB、NMOSトランジスタM11のドレイン、及びマッチ線MLに接続されている。NMOSトランジスタM10のゲート、ソース、及びドレインは、それぞれ、第1ノードD、NMOSトランジスタM12のドレイン、及びマッチ線MLに接続されている。NMOSトランジスタM11のゲート、ソース、及びドレインは、それぞれ、サーチ線SL、グランド線、及びNMOSトランジスタM9のソースに接続されている。NMOSトランジスタM12のゲート、ソース、及びドレインは、それぞれ、サーチ線SLB、グランド線、及びNMOSトランジスタM10のソースに接続されている。
(Coincidence detection unit 25)
The gate, source, and drain of the NMOS transistor M9 are connected to the second node DB, the drain of the NMOS transistor M11, and the match line ML, respectively. The gate, source, and drain of the NMOS transistor M10 are connected to the first node D, the drain of the NMOS transistor M12, and the match line ML, respectively. The gate, source, and drain of the NMOS transistor M11 are connected to the search line SL, the ground line, and the source of the NMOS transistor M9, respectively. The gate, source, and drain of the NMOS transistor M12 are connected to the search line SLB, the ground line, and the source of the NMOS transistor M10, respectively.

これらNMOSトランジスタM9〜12は、「一致検出部25」を構成している。一致検出部25は、電位保持部15の第1ノードD及び第2ノードDB、サーチ線対SL、SLB、及びマッチ線MLに接続されている。後に詳述されるように、データ検索動作時、サーチ線SLには検索データに応じた電位が印加され、サーチ線SLBには検索データの反転データに応じた電位が印加される。また、第1ノードDは記憶データに応じた第1電位を保持し、第2ノードDBは記憶データの反転データに応じた第2電位を保持している。これら電位に基づいて、一致検出部25は、検索データと記憶データの一致/不一致を判定することができる。そして、一致検出部25は、その判定結果に応じてマッチ線MLの電位を制御する。具体的には、検索データが記憶データに一致する場合、一致検出部25は、マッチ線MLを第1状態に設定する。一方、検索データが記憶データに一致しない場合(検索データが反転データに一致する場合)、一致検出部25は、マッチ線MLを第2状態に設定する。   These NMOS transistors M9 to M12 constitute a “coincidence detection unit 25”. The coincidence detection unit 25 is connected to the first node D and the second node DB, the search line pair SL, SLB, and the match line ML of the potential holding unit 15. As will be described in detail later, in the data search operation, a potential corresponding to the search data is applied to the search line SL, and a potential corresponding to the inverted data of the search data is applied to the search line SLB. The first node D holds a first potential corresponding to the stored data, and the second node DB holds a second potential corresponding to the inverted data of the stored data. Based on these potentials, the match detection unit 25 can determine whether the search data matches the stored data. Then, the coincidence detection unit 25 controls the potential of the match line ML according to the determination result. Specifically, when the search data matches the stored data, the match detection unit 25 sets the match line ML to the first state. On the other hand, when the search data does not match the stored data (when the search data matches the inverted data), the match detection unit 25 sets the match line ML to the second state.

1−2.動作
次に、本実施の形態に係るCAMセル10の動作を詳しく説明する。CAMセル10の動作としては、(1)MTJ素子へのデータ書き込み、(2)MTJ素子から電位保持部15へのデータ転送、(3)電位保持部15へのデータ書き込み、(4)電位保持部15からのデータ読み出し、及び(5)データ検索、が挙げられる。
1-2. Operation Next, the operation of the CAM cell 10 according to the present embodiment will be described in detail. The operation of the CAM cell 10 includes (1) data writing to the MTJ element, (2) data transfer from the MTJ element to the potential holding unit 15, (3) data writing to the potential holding unit 15, and (4) potential holding. Data reading from the unit 15 and (5) data retrieval are included.

(1)MTJ素子へのデータ書き込み
図3中に示された期間T1を参照して、CAMセル10におけるMTJ素子へのデータ書き込み動作について説明する。尚、図3において、実線は選択セル、破線は非選択セルに関する電位状態を表している。また、以下の説明において、“ハイレベルの電位”は単に“ハイレベル”と参照され、“ローレベルの電位”は単に“ローレベル”と参照される場合がある。
(1) Data Writing to MTJ Element A data writing operation to the MTJ element in the CAM cell 10 will be described with reference to a period T1 shown in FIG. In FIG. 3, a solid line represents a potential state related to a selected cell and a broken line represents a potential state related to a non-selected cell. In the following description, “high level potential” may be simply referred to as “high level”, and “low level potential” may be simply referred to as “low level”.

書き込みワード線WWLにハイレベルが印加され、NMOSトランジスタM5及びM6がONする。書き込みビット線WBL、WBLBには、書き込みデータ(記憶データ)に応じて相補の電位が印加される。例えば、書き込みデータが“0”の場合、WBLにローレベル、WBLBにハイレベルが印加される。その結果、書き込み電流Iwが、書き込みビット線WBLBから、NMOSトランジスタM6、書き込み電流配線(ノードN1)、NMOSトランジスタM5を通して、書き込みビット線WBLに流れる。この書き込み電流Iwにより、MTJ素子Rにはデータ“0”(低抵抗状態に相当)が書き込まれ、MTJ素子RBには反転データ“1”(高抵抗状態に相当)が書き込まれる。一方、書き込みデータが“1”の場合は、書き込み電流Iwは逆方向に流れ、MTJ素子Rにはデータ“1”が書き込まれ、MTJ素子RBには反転データ“0”が書き込まれる。尚、このようにMTJ素子R、RBに相補データが書き込まれるような構成は、後に例示される。   A high level is applied to the write word line WWL, and the NMOS transistors M5 and M6 are turned on. Complementary potentials are applied to the write bit lines WBL and WBLB in accordance with write data (stored data). For example, when the write data is “0”, a low level is applied to WBL and a high level is applied to WBLB. As a result, the write current Iw flows from the write bit line WBLB to the write bit line WBL through the NMOS transistor M6, the write current wiring (node N1), and the NMOS transistor M5. With this write current Iw, data “0” (corresponding to the low resistance state) is written to the MTJ element R, and inverted data “1” (corresponding to the high resistance state) is written to the MTJ element RB. On the other hand, when the write data is “1”, the write current Iw flows in the reverse direction, data “1” is written to the MTJ element R, and inverted data “0” is written to the MTJ element RB. A configuration in which complementary data is written in the MTJ elements R and RB in this way will be exemplified later.

(2)MTJ素子から電位保持部15へのデータ転送
図3中に示された期間T2を参照して、CAMセル10におけるMTJ素子から電位保持部15へのデータ転送について説明する。書き込みワード線WWLにローレベルが印加され、NMOSトランジスタM5及びM6がOFFする。ワード線WLにローレベルが印加され、PMOSトランジスタM7及びM8がONする。電源線PLにはハイレベルが印加される。サーチ線SL、SLBには共にハイレベルが印加される。マッチ線MLは、ハイインピーダンス状態に設定される。これらの結果、第1ノードD及び第2ノードDBは共にハイレベルに充電される。また、NMOSトランジスタM3、M4がONする。
(2) Data Transfer from MTJ Element to Potential Holding Unit 15 Data transfer from the MTJ element to the potential holding unit 15 in the CAM cell 10 will be described with reference to a period T2 shown in FIG. A low level is applied to the write word line WWL, and the NMOS transistors M5 and M6 are turned OFF. A low level is applied to the word line WL, and the PMOS transistors M7 and M8 are turned on. A high level is applied to the power supply line PL. A high level is applied to both search lines SL and SLB. Match line ML is set to a high impedance state. As a result, both the first node D and the second node DB are charged to a high level. Also, the NMOS transistors M3 and M4 are turned on.

充電後、ワード線WLにハイレベルが印加され、PMOSトランジスタM7及びM8がOFFする。続いて、書き込みワード線WWLにハイレベルが印加され、NMOSトランジスタM5及びM6がONする。その結果、第1ノードDに蓄積された電荷は、NMOSトランジスタM4、MTJ素子R、NMOSトランジスタM5、M6を通して、書き込みビット線WBL、WBLBへ放電される。また、第2ノードDBに蓄積された電荷は、NMOSトランジスタM3、MTJ素子RB、NMOSトランジスタM5、M6を通して、書き込みビット線WBL、WBLBへ放電される。   After charging, a high level is applied to the word line WL, and the PMOS transistors M7 and M8 are turned off. Subsequently, a high level is applied to the write word line WWL, and the NMOS transistors M5 and M6 are turned on. As a result, the charge accumulated in the first node D is discharged to the write bit lines WBL and WBLB through the NMOS transistor M4, the MTJ element R, and the NMOS transistors M5 and M6. Further, the charge accumulated in the second node DB is discharged to the write bit lines WBL and WBLB through the NMOS transistor M3, the MTJ element RB, and the NMOS transistors M5 and M6.

ここで、PMOSトランジスタM1とM2は同じサイズ、同じ特性のトランジスタであり、また、NMOSトランジスタM3とM4は同じサイズ、同じ特性のトランジスタである。そのため、第1ノードDと第2ノードDBとの放電スピードの差は、MTJ素子RとRBの抵抗値の差に依存する。例えば、記憶データが“0”の場合、MTJ素子Rは低抵抗状態であり、MTJ素子RBは高抵抗状態である。従って、第1ノードDの方が第2ノードDBよりも素早く放電され、電位がより早く低下する。第1ノードDの電位が低下し、PMOSトランジスタM1がONし始めると、第2ノードDBはそのPMOSトランジスタM1によって充電され、第2ノードDBにおける電位低下は抑制される。これにより、PMOSトランジスタM2は、PMOSトランジスタM1に比べてONしにくくなる。すなわち、第1ノードDでは更に電位が低下する方向へ、第2ノードDBでは電位が上昇する方向へフィードバックが働く。結果として、第1ノードDの電位はローレベルとなり、第2ノードDBの電位はハイレベルとなる。逆に、記憶データが“1”の場合、第1ノードDの電位はハイレベルとなり、第2ノードDBの電位はローレベルとなる。   Here, the PMOS transistors M1 and M2 are transistors having the same size and the same characteristics, and the NMOS transistors M3 and M4 are transistors having the same size and the same characteristics. Therefore, the difference in discharge speed between the first node D and the second node DB depends on the difference in resistance value between the MTJ elements R and RB. For example, when the stored data is “0”, the MTJ element R is in the low resistance state, and the MTJ element RB is in the high resistance state. Therefore, the first node D is discharged more quickly than the second node DB, and the potential drops earlier. When the potential of the first node D decreases and the PMOS transistor M1 starts to turn on, the second node DB is charged by the PMOS transistor M1, and the potential decrease at the second node DB is suppressed. As a result, the PMOS transistor M2 is less likely to be turned on than the PMOS transistor M1. That is, feedback acts in the direction in which the potential further decreases at the first node D and in the direction in which the potential increases at the second node DB. As a result, the potential of the first node D becomes low level, and the potential of the second node DB becomes high level. Conversely, when the stored data is “1”, the potential of the first node D is at a high level and the potential of the second node DB is at a low level.

このようにして、MTJ素子から電位保持部15へ記憶データが転送される。第1ノードDは、MTJ素子Rに書き込まれた記憶データに応じた電位を保持する。一方、第2ノードDBは、MTJ素子RBに書き込まれた反転データに応じた第2電位を保持する。   In this way, the stored data is transferred from the MTJ element to the potential holding unit 15. The first node D holds a potential corresponding to the storage data written in the MTJ element R. On the other hand, the second node DB holds a second potential corresponding to the inverted data written in the MTJ element RB.

(3)電位保持部15へのデータ書き込み
MTJ素子から電位保持部15へデータを転送する以外に、通常のSRAMと同様に、電位保持部15に対してデータを直接書き込むこともできる。図4中に示された期間T3を参照して、電位保持部15への直接データ書き込みについて説明する。書き込みワード線WWLにハイレベルが印加され、NMOSトランジスタM5及びM6がONする。書き込みビット線WBL、WBLBには共にローレベルが印加される。電源線PLにはハイレベルが印加される。サーチ線SL、SLBには、書き込みデータに応じた相補の電位が印加される。例えば、書き込みデータが“0”の場合、SLにローレベル、SLBにハイレベルが印加される。ワード線WLにローレベルが印加されると、PMOSトランジスタM7及びM8がONする。その結果、第1ノードDの電位はローレベルとなり、第2ノードDBの電位はハイレベルとなる。その後、ワード線WLにハイレベルが印加され、PMOSトランジスタM7及びM8がOFFする。
(3) Data Writing to the Potential Holding Unit 15 In addition to transferring data from the MTJ element to the potential holding unit 15, data can be directly written to the potential holding unit 15 in the same manner as a normal SRAM. Direct data writing to the potential holding unit 15 will be described with reference to a period T3 shown in FIG. A high level is applied to the write word line WWL, and the NMOS transistors M5 and M6 are turned on. A low level is applied to both the write bit lines WBL and WBLB. A high level is applied to the power supply line PL. Complementary potentials corresponding to write data are applied to the search lines SL and SLB. For example, when the write data is “0”, a low level is applied to SL and a high level is applied to SLB. When the low level is applied to the word line WL, the PMOS transistors M7 and M8 are turned on. As a result, the potential of the first node D becomes low level, and the potential of the second node DB becomes high level. Thereafter, a high level is applied to the word line WL, and the PMOS transistors M7 and M8 are turned OFF.

(4)電位保持部15からのデータ読み出し
図4中に示された期間T4を参照して、電位保持部15からのデータ読み出しについて説明する。書き込みワード線WWLにハイレベルが印加され、NMOSトランジスタM5及びM6がONする。書き込みビット線WBL、WBLBには共にローレベルが印加される。電源線PLにはハイレベルが印加される。ワード線WLにローレベルが印加されると、PMOSトランジスタM7及びM8がONする。その結果、第1ノードDの電位がサーチ線SLに印加され、第2ノードDBの電位がサーチ線SLBに印加される。サーチ線SL、SLBにつながるセンスアンプ(図示されない)は、それら電位に基づいて、記憶データをセンスする。
(4) Data Reading from Potential Holding Unit 15 Data reading from the potential holding unit 15 will be described with reference to a period T4 shown in FIG. A high level is applied to the write word line WWL, and the NMOS transistors M5 and M6 are turned on. A low level is applied to both the write bit lines WBL and WBLB. A high level is applied to the power supply line PL. When the low level is applied to the word line WL, the PMOS transistors M7 and M8 are turned on. As a result, the potential of the first node D is applied to the search line SL, and the potential of the second node DB is applied to the search line SLB. A sense amplifier (not shown) connected to the search lines SL and SLB senses stored data based on these potentials.

(5)データ検索
データ検索動作時、各CAMセル10において、記憶データ(記憶ビット)と検索データ(検索ビット)との比較が行われ、一致/不一致の判定が行われる。その結果を示す情報は、マッチ線MLに出力される。図5中に示された期間T5を参照して、CAMセル10におけるデータ検索動作について説明する。尚、図5において、実線は「一致」を表し、破線は「不一致」を表している。
(5) Data Search During the data search operation, each CAM cell 10 compares the stored data (stored bit) with the search data (search bit) to determine whether the data matches or does not match. Information indicating the result is output to the match line ML. The data search operation in the CAM cell 10 will be described with reference to the period T5 shown in FIG. In FIG. 5, the solid line represents “match” and the broken line represents “mismatch”.

データ検索動作時、書き込みワード線WWLにハイレベルが印加され、NMOSトランジスタM5及びM6がONする。書き込みビット線WBL、WBLBには共にローレベルが印加される。電源線PLにはハイレベルが印加される。ワード線WLにはハイレベルが印加され、PMOSトランジスタM7及びM8がOFFする。また、第1ノードDは記憶データに応じた第1電位を保持し、第2ノードDBは反転データに応じた第2電位を保持している。   During the data search operation, a high level is applied to the write word line WWL, and the NMOS transistors M5 and M6 are turned on. A low level is applied to both the write bit lines WBL and WBLB. A high level is applied to the power supply line PL. A high level is applied to the word line WL, and the PMOS transistors M7 and M8 are turned off. The first node D holds a first potential corresponding to stored data, and the second node DB holds a second potential corresponding to inverted data.

まず、マッチ線MLがハイレベルにプリチャージされ、その後、マッチ線MLはハイインピーダンス状態に設定される。次に、検索データに応じた電位がサーチ線SL、SLBに印加される。例えば、検索データが“0”の場合、サーチ線SLにローレベル、サーチ線SLBにハイレベルが印加される。その結果、NMOSトランジスタM11がOFFし、NMOSトランジスタM12がONする。   First, the match line ML is precharged to a high level, and then the match line ML is set to a high impedance state. Next, a potential corresponding to the search data is applied to the search lines SL and SLB. For example, when the search data is “0”, a low level is applied to the search line SL and a high level is applied to the search line SLB. As a result, the NMOS transistor M11 is turned off and the NMOS transistor M12 is turned on.

ここで、CAMセル10の記憶データが“0”の場合、すなわち、検索データが記憶データと一致する場合、第1ノードDはローレベルであり、第2ノードDBはハイレベルである。よって、NMOSトランジスタM10がOFFし、NMOSトランジスタM9がONする。この場合、マッチ線MLはハイレベルのまま維持される。この状態(第1状態)が、「一致」を表す。   Here, when the storage data of the CAM cell 10 is “0”, that is, when the search data matches the storage data, the first node D is at the low level and the second node DB is at the high level. Therefore, the NMOS transistor M10 is turned off and the NMOS transistor M9 is turned on. In this case, the match line ML is maintained at a high level. This state (first state) represents “match”.

一方、CAMセル10の記憶データが“1”の場合、すなわち、検索データが記憶データと一致しない場合(検索データが反転データと一致する場合)、第1ノードDはハイレベルであり、第2ノードDBはローレベルである。よって、NMOSトランジスタM10がONし、NMOSトランジスタM9がOFFする。この場合、マッチ線MLがNMOSトランジスタM10、M12を通してグランド線につながるため、マッチ線MLの電位がローレベルとなる。この状態(第2状態)が、「不一致」を表す。   On the other hand, when the stored data of the CAM cell 10 is “1”, that is, when the search data does not match the stored data (when the search data matches the inverted data), the first node D is at the high level, The node DB is at a low level. Therefore, the NMOS transistor M10 is turned on and the NMOS transistor M9 is turned off. In this case, since the match line ML is connected to the ground line through the NMOS transistors M10 and M12, the potential of the match line ML becomes low level. This state (second state) represents “mismatch”.

1−3.効果
以上に説明されたように、本実施の形態によれば、各CAMセル10のMTJ素子にデータを不揮発的に記憶させることができる。電源立ち上げ後には、MTJ素子から電位保持部15に記憶データを転送することによって、直ちに電源遮断前の状態に復帰させることが可能である。
1-3. Effect As described above, according to the present embodiment, data can be stored in the MTJ element of each CAM cell 10 in a nonvolatile manner. After the power is turned on, the stored data can be transferred from the MTJ element to the potential holding unit 15 to immediately return to the state before the power is shut off.

更に、MTJ素子と電位保持部15とは一体に形成される。そのため、バス幅の制限なしに、高速にデータを転送可能である。   Further, the MTJ element and the potential holding unit 15 are integrally formed. Therefore, data can be transferred at high speed without any limitation on the bus width.

更に、停電などの予期せぬ電力低下の場合にも、最新データを常にMTJ素子に書き込んでおけば、データ喪失のリスクは低減される。   Furthermore, the risk of data loss is reduced if the latest data is always written to the MTJ element even in the case of an unexpected power decrease such as a power failure.

更に、不揮発性のMTJ素子は、電位保持部15が形成されるトランジスタ形成部の上層の配線層に形成可能である。従って、面積の増加が抑えられる。   Furthermore, the non-volatile MTJ element can be formed in the upper wiring layer of the transistor formation portion where the potential holding portion 15 is formed. Therefore, an increase in area can be suppressed.

更に、使用していないときには電源を落とすことができるため、待機時の消費電力を低減することができる。   Furthermore, since the power can be turned off when not in use, power consumption during standby can be reduced.

更に、NMOSトランジスタM5、M6が設けられているため、従来と比較して、CAMセル10の待機時のリーク電流が低減される。   Furthermore, since the NMOS transistors M5 and M6 are provided, the leakage current during standby of the CAM cell 10 is reduced as compared with the conventional case.

更に、本実施の形態に係るCAMセル10は、12個のトランジスタから構成される。一方、特許文献2に記載されたCAMセルは14個のトランジスタから構成されている。トランジスタ数が削減されるため、セル面積が縮小される。   Furthermore, the CAM cell 10 according to the present embodiment is composed of 12 transistors. On the other hand, the CAM cell described in Patent Document 2 is composed of 14 transistors. Since the number of transistors is reduced, the cell area is reduced.

1−4.MTJ構成
1−4−1.第1の例
図6は、MTJ構成の第1の例を示す平面図である。図7は、図6中の線A−A’に沿った構造を示す断面図である。図6に示されるように、NMOSトランジスタM5とM6との間をつなぐように、書き込み電流配線30が形成されている。その書き込み電流配線30は、NMOSトランジスタM5に接続された第1配線部31、NMOSトランジスタM6に接続された第2配線部32、及び第1配線部31と第2配線部32との間をつなぐ接続部を含んでいる。第1配線部31と第2配線部32は共にY方向に延びるように互いに平行に形成されている。
1-4. MTJ configuration 1-4-1. First Example FIG. 6 is a plan view showing a first example of the MTJ configuration. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a structure taken along line AA ′ in FIG. As shown in FIG. 6, the write current wiring 30 is formed so as to connect the NMOS transistors M5 and M6. The write current wiring 30 connects the first wiring part 31 connected to the NMOS transistor M5, the second wiring part 32 connected to the NMOS transistor M6, and the first wiring part 31 and the second wiring part 32. Includes connections. Both the first wiring part 31 and the second wiring part 32 are formed in parallel to each other so as to extend in the Y direction.

MTJ素子R、RBは、書き込み電流配線30上に形成されている。より詳細には、MTJ素子RBは第1配線部31上に形成され、MTJ素子Rは第2配線部32上に形成されている。図7に示されるように、各MTJ素子は、磁化固定層41、絶縁層42、及び磁化自由層43を備えている。磁化固定層41及び磁化自由層43は強磁性体層であり、絶縁層42はそれら2層の強磁性体層によって挟まれている。磁化固定層41の磁化方向は実質的に一方向に固定されている。一方、磁化自由層43の磁化方向は反転可能であり、磁化固定層41の磁化方向と平行あるいは反平行となることが許される。磁化方向が平行な場合は低抵抗状態(データ“0”)に相当し、磁化方向が反平行な場合は高抵抗状態(データ“1”)に相当する。   The MTJ elements R and RB are formed on the write current wiring 30. More specifically, the MTJ element RB is formed on the first wiring part 31, and the MTJ element R is formed on the second wiring part 32. As shown in FIG. 7, each MTJ element includes a magnetization fixed layer 41, an insulating layer 42, and a magnetization free layer 43. The magnetization fixed layer 41 and the magnetization free layer 43 are ferromagnetic layers, and the insulating layer 42 is sandwiched between these two ferromagnetic layers. The magnetization direction of the magnetization fixed layer 41 is substantially fixed in one direction. On the other hand, the magnetization direction of the magnetization free layer 43 can be reversed, and is allowed to be parallel or antiparallel to the magnetization direction of the magnetization fixed layer 41. When the magnetization direction is parallel, it corresponds to a low resistance state (data “0”), and when the magnetization direction is antiparallel, it corresponds to a high resistance state (data “1”).

また、図6に示されるように、各MTJ素子は楕円形状にパターニングされている。形状磁気異方性により、磁化自由層43の磁化は、長軸方向に沿った向きに向きやすくなる。磁化固定層41の磁化は、長軸方向に沿った向きに固定されている。更に、各MTJ素子は、その長軸方向がY方向(配線部31、32の長手方向、すなわち、書き込み電流Iwの方向)から45度の向きに傾くように配置されている。これにより、効率的に磁化自由層43の磁化を反転させることができる。   Further, as shown in FIG. 6, each MTJ element is patterned in an elliptical shape. Due to the shape magnetic anisotropy, the magnetization of the magnetization free layer 43 is easily oriented in the direction along the major axis direction. The magnetization of the magnetization fixed layer 41 is fixed in the direction along the major axis direction. Further, each MTJ element is arranged such that its long axis direction is inclined 45 degrees from the Y direction (the longitudinal direction of the wiring portions 31 and 32, that is, the direction of the write current Iw). Thereby, the magnetization of the magnetization free layer 43 can be efficiently reversed.

データ書き込み時、書き込み電流配線30には書き込みデータに応じた方向の書き込み電流Iwが流れる。その書き込み電流Iwによって発生する磁界がMTJ素子R、RBに印加され、それにより各MTJ素子の磁化自由層43の磁化方向が反転する。特に、本例においては、書き込み電流Iwの方向が、第1配線部31と第2配線部32とで逆になる。従って、印加される磁界の方向が、MTJ素子RBとMTJ素子Rとで逆になる。よって、MTJ素子R、RBに相補データが書き込まれる。   At the time of data writing, a write current Iw flows in the direction corresponding to the write data through the write current wiring 30. A magnetic field generated by the write current Iw is applied to the MTJ elements R and RB, thereby reversing the magnetization direction of the magnetization free layer 43 of each MTJ element. In particular, in this example, the direction of the write current Iw is reversed between the first wiring portion 31 and the second wiring portion 32. Accordingly, the direction of the applied magnetic field is reversed between the MTJ element RB and the MTJ element R. Therefore, complementary data is written to the MTJ elements R and RB.

書き込み電流配線30は、MTJ素子R、RBと隣接して形成される。従って、磁化自由層43の磁化反転に要する書き込み電流Iwを低減することができる。例えば、書き込み電流Iwは1mA以下に低減できる。書き込み電流Iwが小さくなると、セルに供給できる書き込み電流Iwの最大値を制限するNMOSトランジスタM5及びM6のサイズを小さくすることができる。従って、CAMセル10のサイズを縮小することができる。   The write current wiring 30 is formed adjacent to the MTJ elements R and RB. Accordingly, the write current Iw required for the magnetization reversal of the magnetization free layer 43 can be reduced. For example, the write current Iw can be reduced to 1 mA or less. When the write current Iw decreases, the sizes of the NMOS transistors M5 and M6 that limit the maximum value of the write current Iw that can be supplied to the cell can be reduced. Therefore, the size of the CAM cell 10 can be reduced.

1−4−2.第2の例
図8は、MTJ構成の第2の例を示す平面図である。図9は、図8中の線A−A’に沿った構造を示す断面図である。書き込み電流配線50が、NMOSトランジスタM5とM6との間をつなぐように形成されている。書き込み電流配線50は、同一平面上に形成された磁化自由層53−1、53−2、磁化固定層54〜56を含んでいる。磁化固定層55はNMOSトランジスタM5に接続され、磁化固定層56はNMOSトランジスタM6に接続されている。磁化自由層53−1は、磁化固定層54、55の間に挟まれており、磁化自由層53−2は磁化固定層54、56の間に挟まれている。
1-4-2. Second Example FIG. 8 is a plan view showing a second example of the MTJ configuration. FIG. 9 is a cross-sectional view showing a structure taken along line AA ′ in FIG. A write current wiring 50 is formed so as to connect between the NMOS transistors M5 and M6. The write current wiring 50 includes magnetization free layers 53-1 and 53-2 and magnetization fixed layers 54 to 56 formed on the same plane. The magnetization fixed layer 55 is connected to the NMOS transistor M5, and the magnetization fixed layer 56 is connected to the NMOS transistor M6. The magnetization free layer 53-1 is sandwiched between the magnetization fixed layers 54 and 55, and the magnetization free layer 53-2 is sandwiched between the magnetization fixed layers 54 and 56.

磁化自由層53−1はMTJ素子RBの一部であり、MTJ素子RBは、磁化自由層53−1、磁化固定層51−1、及び磁化固定層51−1と磁化自由層53−1に挟まれた絶縁層52−1を備えている。磁化自由層53−2はMTJ素子Rの一部であり、MTJ素子Rは、磁化自由層53−2、磁化固定層51−2、及び磁化固定層51−2と磁化自由層53−2に挟まれた絶縁層52−2を備えている。   The magnetization free layer 53-1 is a part of the MTJ element RB. The MTJ element RB includes the magnetization free layer 53-1, the magnetization fixed layer 51-1, and the magnetization fixed layer 51-1 and the magnetization free layer 53-1. An insulating layer 52-1 is sandwiched. The magnetization free layer 53-2 is a part of the MTJ element R. The MTJ element R includes a magnetization free layer 53-2, a magnetization fixed layer 51-2, a magnetization fixed layer 51-2, and a magnetization free layer 53-2. An insulating layer 52-2 sandwiched is provided.

磁化自由層53、磁化固定層51、54〜56は、例えば、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜で形成される。例えば、磁化固定層51−1、51−2の磁化方向は−Z方向に固定される。また、磁化固定層54の磁化方向は−Z方向に固定され、磁化固定層55、56の磁化方向はその逆の+Z方向に固定される。磁化自由層53−1、53−2の磁化方向は反転可能であり、且つ、互いに反対になる。   The magnetization free layer 53 and the magnetization fixed layers 51 and 54 to 56 are formed of, for example, a perpendicular magnetization film having perpendicular magnetic anisotropy. For example, the magnetization directions of the magnetization fixed layers 51-1 and 51-2 are fixed in the −Z direction. In addition, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 54 is fixed in the −Z direction, and the magnetization directions of the magnetization fixed layers 55 and 56 are fixed in the opposite + Z direction. The magnetization directions of the magnetization free layers 53-1 and 53-2 can be reversed and are opposite to each other.

本例では、スピン注入磁壁移動方式によってデータ書き込みが実施される。例えば、書き込みデータが“0”の場合、書き込み電流Iwが−X方向に流される。この場合、スピン電子は+X方向に流れ、スピン注入の結果、磁化自由層53−1の磁化方向は+Z方向になり、磁化自由層53−2の磁化方向は−Z方向になる。すなわち、MTJ素子Rは低抵抗状態(データ“0”)になり、MTJ素子RBは高抵抗状態(データ“1”)になる。書き込みデータが“1”の場合は、書き込み電流Iwは+X方向に流される。   In this example, data writing is performed by a spin injection domain wall motion method. For example, when the write data is “0”, the write current Iw is supplied in the −X direction. In this case, spin electrons flow in the + X direction, and as a result of the spin injection, the magnetization direction of the magnetization free layer 53-1 becomes the + Z direction, and the magnetization direction of the magnetization free layer 53-2 becomes the -Z direction. That is, the MTJ element R is in a low resistance state (data “0”), and the MTJ element RB is in a high resistance state (data “1”). When the write data is “1”, the write current Iw flows in the + X direction.

スピントルクを利用した書き込み方式の場合、書き込み電流Iwを低減することができる。例えば、書き込み電流Iwは数100μAにまで低減される。書き込み電流Iwが小さくなると、セルに供給できる書き込み電流Iwの最大値を制限するNMOSトランジスタM5及びM6のサイズを小さくすることができる。従って、CAMセル10のサイズを縮小することができる。   In the case of a write method using spin torque, the write current Iw can be reduced. For example, the write current Iw is reduced to several hundred μA. When the write current Iw decreases, the sizes of the NMOS transistors M5 and M6 that limit the maximum value of the write current Iw that can be supplied to the cell can be reduced. Therefore, the size of the CAM cell 10 can be reduced.

1−4−3.第3の例
図10は、MTJ構成の第3の例を示す平面図である。図11及び図12は、それぞれ、図10中の線A−A’及び線B−B’に沿った構造を示す断面図である。MTJ素子RBは、磁化固定層61−1、磁化自由層63−1、及び磁化固定層61−1と磁化自由層63−1に挟まれた絶縁層62−1を備えている。MTJ素子Rは、磁化固定層61−2、磁化自由層63−2、及び磁化固定層61−2と磁化自由層63−2に挟まれた絶縁層62−2を備えている。MTJ素子R、RBは、配線70上に離れて形成されている。
1-4-3. Third Example FIG. 10 is a plan view showing a third example of the MTJ configuration. 11 and 12 are cross-sectional views showing structures along line AA ′ and line BB ′ in FIG. 10, respectively. The MTJ element RB includes a magnetization fixed layer 61-1, a magnetization free layer 63-1, and an insulating layer 62-1 sandwiched between the magnetization fixed layer 61-1 and the magnetization free layer 63-1. The MTJ element R includes a magnetization fixed layer 61-2, a magnetization free layer 63-2, and an insulating layer 62-2 sandwiched between the magnetization fixed layer 61-2 and the magnetization free layer 63-2. The MTJ elements R and RB are formed apart on the wiring 70.

また、書き込み電流配線60が、NMOSトランジスタM5とM6との間をつなぐように形成されている。書き込み電流配線60は、同一平面上に形成された磁化自由層64、磁化固定層65、66を含んでいる。磁化固定層65はNMOSトランジスタM5に接続され、磁化固定層66はNMOSトランジスタM6に接続されている。磁化自由層64は、磁化固定層65、66の間に挟まれている。   A write current wiring 60 is formed to connect between the NMOS transistors M5 and M6. The write current wiring 60 includes a magnetization free layer 64 and magnetization fixed layers 65 and 66 formed on the same plane. The magnetization fixed layer 65 is connected to the NMOS transistor M5, and the magnetization fixed layer 66 is connected to the NMOS transistor M6. The magnetization free layer 64 is sandwiched between the magnetization fixed layers 65 and 66.

例えば、磁化自由層64、磁化固定層65、66は、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜で形成される。磁化固定層65、66の磁化方向は互いに逆方向に固定される。例えば、磁化固定層65の磁化方向は+Z方向に固定され、磁化固定層66の磁化方向は−Z方向に固定される。また、磁化自由層64の磁化方向は反転可能である。一方、MTJ素子の磁化固定層61及び磁化自由層63は、面内磁気異方性を有する面内磁化膜で形成される。例えば、磁化固定層61−1、61−2の磁化方向は共に−Y方向に固定される。磁化自由層63−1、63−2の磁化方向は反転可能であり、且つ、互いに反対になる。更に、磁化自由層63−1、63−2は、磁化自由層64と磁気的に結合している。従って、磁化自由層64の磁化方向が反転すると、磁化自由層63−1、63−2の磁化方向も反転する。   For example, the magnetization free layer 64 and the magnetization fixed layers 65 and 66 are formed of a perpendicular magnetization film having perpendicular magnetic anisotropy. The magnetization directions of the magnetization fixed layers 65 and 66 are fixed in opposite directions. For example, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 65 is fixed in the + Z direction, and the magnetization direction of the magnetization fixed layer 66 is fixed in the −Z direction. Further, the magnetization direction of the magnetization free layer 64 can be reversed. On the other hand, the magnetization fixed layer 61 and the magnetization free layer 63 of the MTJ element are formed of an in-plane magnetization film having in-plane magnetic anisotropy. For example, the magnetization directions of the magnetization fixed layers 61-1 and 61-2 are both fixed in the -Y direction. The magnetization directions of the magnetization free layers 63-1 and 63-2 can be reversed and are opposite to each other. Further, the magnetization free layers 63-1 and 63-2 are magnetically coupled to the magnetization free layer 64. Therefore, when the magnetization direction of the magnetization free layer 64 is reversed, the magnetization directions of the magnetization free layers 63-1 and 63-2 are also reversed.

磁化自由層64の磁化反転は、スピン注入磁壁移動方式によって実現される。例えば、書き込みデータが“0”の場合、書き込み電流配線60において書き込み電流Iwが−X方向に流される。この場合、スピン電子は+X方向に流れ、スピン注入の結果、磁化自由層64の磁化方向が+Z方向になる。更に、磁化自由層64と磁気的に結合する磁化自由層63−1、63−2の磁化方向が、それぞれ+Y方向及び−Y方向になる。その結果、MTJ素子Rは低抵抗状態(データ“0”)になり、MTJ素子RBは高抵抗状態(データ“1”)になる。書き込みデータが“1”の場合は、書き込み電流Iwは+X方向に流される。   The magnetization reversal of the magnetization free layer 64 is realized by a spin injection domain wall motion method. For example, when the write data is “0”, the write current Iw flows in the −X direction in the write current wiring 60. In this case, the spin electrons flow in the + X direction, and as a result of the spin injection, the magnetization direction of the magnetization free layer 64 becomes the + Z direction. Furthermore, the magnetization directions of the magnetization free layers 63-1 and 63-2 that are magnetically coupled to the magnetization free layer 64 are the + Y direction and the -Y direction, respectively. As a result, the MTJ element R enters a low resistance state (data “0”), and the MTJ element RB enters a high resistance state (data “1”). When the write data is “1”, the write current Iw flows in the + X direction.

本例によれば、上記第2の例と同じ効果が得られる。更に、本例においては、MTJ素子が面内磁化膜で形成される。面内磁化膜を用いたMTJ素子の場合、垂直磁化膜を用いたMTJ素子の場合と比較して、低抵抗状態と高抵抗状態との間の抵抗比(MR比)が大きい。そのため、MTJ素子から電位保持部15へのデータ転送の信頼性が向上する。   According to this example, the same effect as the second example can be obtained. Furthermore, in this example, the MTJ element is formed of an in-plane magnetization film. In the case of the MTJ element using the in-plane magnetization film, the resistance ratio (MR ratio) between the low resistance state and the high resistance state is larger than that of the MTJ element using the perpendicular magnetization film. Therefore, the reliability of data transfer from the MTJ element to the potential holding unit 15 is improved.

尚、図10〜図12で示された構成の場合、図13に示されるように、MTJ素子R、RBの端部は、ノードN1(書き込み電流配線60)と電気的に接続せず、共にグランド線に接続されていてもよい。この場合であっても、MTJ素子R、RBの端部同士は電気的に接続されることになる。   In the case of the configuration shown in FIGS. 10 to 12, the end portions of the MTJ elements R and RB are not electrically connected to the node N1 (write current wiring 60) as shown in FIG. It may be connected to a ground line. Even in this case, the end portions of the MTJ elements R and RB are electrically connected to each other.

1−5.変形例
図14に示されるように、CAMセル10は、PMOSトランジスタM13を備えていてもよい。PMOSトランジスタM13のゲートはワード線WLに接続され、そのソース/ドレインの一方は第1ノードDに接続され、ソース/ドレインの他方は第2ノードDBに接続されている。このPMOSトランジスタM13は、第1ノードDと第2ノードDBとを電気的に接続あるいは切り離すスイッチとしての役割を果たす。CAMセル10の機能が(1)MTJ素子へのデータ書き込み、(2)MTJ素子から電位保持部15へのデータ転送、及び(5)データ検索に限られるが、図2で示されたPMOSトランジスタM7、M8は省略されてもよい。これにより、1つのCAMセル10に含まれるトランジスタ数が更に削減される。
1-5. Modified Example As shown in FIG. 14, the CAM cell 10 may include a PMOS transistor M13. The gate of the PMOS transistor M13 is connected to the word line WL, one of the source / drain thereof is connected to the first node D, and the other of the source / drain is connected to the second node DB. The PMOS transistor M13 serves as a switch for electrically connecting or disconnecting the first node D and the second node DB. The functions of the CAM cell 10 are limited to (1) data writing to the MTJ element, (2) data transfer from the MTJ element to the potential holding unit 15, and (5) data search, but the PMOS transistor shown in FIG. M7 and M8 may be omitted. Thereby, the number of transistors included in one CAM cell 10 is further reduced.

2.第2の実施の形態
本発明の第2の実施の形態では、不揮発性記憶部20のNMOSトランジスタM5、M6のうちいずれか一方が、複数のCAMセル10によって共用される。図15及び図16は、第2の実施の形態に係るCAMセル10及びCAMの例をそれぞれ示している。図15及び図16において、NMOSトランジスタM6が、隣接する複数のCAMセル10−0〜10−n間で共有化されている。共通NMOSトランジスタM6のゲートは共通書き込みワード線CWWLに接続されており、書き込みワード線WWLの代わりに共通書き込みワード線CWWLを用いることによって選択可能である。その他の構成及びCAMセル10の動作は第1の実施の形態と同様であり、その説明は省略される。
2. Second Embodiment In the second embodiment of the present invention, one of the NMOS transistors M5 and M6 of the nonvolatile memory unit 20 is shared by a plurality of CAM cells 10. FIGS. 15 and 16 show examples of the CAM cell 10 and the CAM according to the second embodiment, respectively. 15 and 16, the NMOS transistor M6 is shared between a plurality of adjacent CAM cells 10-0 to 10-n. The gate of the common NMOS transistor M6 is connected to the common write word line CWWL, and can be selected by using the common write word line CWWL instead of the write word line WWL. Other configurations and operations of the CAM cell 10 are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

本実施の形態によれば、第1の実施の形態と同じ効果が得られる。また、第1の実施の形態と比較して、トランジスタの総数が更に削減される。その結果、セル面積が更に縮小される。   According to the present embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained. In addition, the total number of transistors is further reduced as compared with the first embodiment. As a result, the cell area is further reduced.

3.第3の実施の形態
第3の実施の形態では、3つの論理状態“0”、“1”、“X”を記憶できるTCAMセル10が提案される。“X”状態のビットは“Don’t care”を意味し、検索データとして“0”が入力されても“1”が入力されても一致とみなされる。
3. Third Embodiment In the third embodiment, a TCAM cell 10 capable of storing three logic states “0”, “1”, and “X” is proposed. A bit in the “X” state means “Don't care”, and is regarded as a match regardless of whether “0” or “1” is input as search data.

図17は、第3の実施の形態に係るTCAMセル10の構成例を示す回路図である。TCAMセル10は、2つの電位保持部15x、15y、2つの不揮発性記憶部20x、20y、及び一致検出部25を備えている。電位保持部15x、15yの各々の構成は、第1の実施の形態における電位保持部15と同様である。不揮発性記憶部20x、20yの各々の構成は、第1の実施の形態における不揮発性記憶部20と同様である。重複する説明は適宜省略される。   FIG. 17 is a circuit diagram showing a configuration example of the TCAM cell 10 according to the third embodiment. The TCAM cell 10 includes two potential holding units 15x and 15y, two nonvolatile storage units 20x and 20y, and a coincidence detection unit 25. The configuration of each of the potential holding units 15x and 15y is the same as that of the potential holding unit 15 in the first embodiment. The configuration of each of the nonvolatile storage units 20x and 20y is the same as that of the nonvolatile storage unit 20 in the first embodiment. The overlapping description is omitted as appropriate.

電位保持部15xは、PMOSトランジスタM1、M2、NMOSトランジスタM3、M4、第1ノードDx及び第2ノードDBxを有している。PMOSトランジスタM1、M2は電源線PLxに接続されている。第1ノードDxはPMOSトランジスタM7を介してサーチ線SLに接続され、第2ノードDBxはPMOSトランジスタM8を介してサーチ線SLBに接続されている。PMOSトランジスタM7、M8のゲートはワード線WLxに接続されている。   The potential holding unit 15x includes PMOS transistors M1 and M2, NMOS transistors M3 and M4, a first node Dx, and a second node DBx. The PMOS transistors M1 and M2 are connected to the power supply line PLx. The first node Dx is connected to the search line SL via the PMOS transistor M7, and the second node DBx is connected to the search line SLB via the PMOS transistor M8. The gates of the PMOS transistors M7 and M8 are connected to the word line WLx.

不揮発性記憶部20xは、MTJ素子Rx、RBx、書き込み電流配線N1、NMOSトランジスタM5、M6を有している。NMOSトランジスタM5、M6のゲートは書き込みワード線WWLxに接続されている。MTJ素子Rx、RBxには相補データが書き込まれる。第1ノードDxは、MTJ素子Rxに書き込まれた記憶データに応じた電位を保持し、第2ノードDBxは、MTJ素子RBxに書き込まれた反転データに応じた電位を保持する。   The nonvolatile memory unit 20x includes MTJ elements Rx and RBx, a write current wiring N1, and NMOS transistors M5 and M6. The gates of the NMOS transistors M5 and M6 are connected to the write word line WWLx. Complementary data is written in the MTJ elements Rx and RBx. The first node Dx holds a potential corresponding to the stored data written to the MTJ element Rx, and the second node DBx holds a potential corresponding to the inverted data written to the MTJ element RBx.

電位保持部15yは、PMOSトランジスタM21、M22、NMOSトランジスタM23、M24、第1ノードDy及び第2ノードDByを有している。PMOSトランジスタM21、M22は電源線PLyに接続されている。第1ノードDyはPMOSトランジスタM27を介してサーチ線SLに接続され、第2ノードDByはPMOSトランジスタM28を介してサーチ線SLBに接続されている。PMOSトランジスタM27、M28のゲートはワード線WLyに接続されている。   The potential holding unit 15y includes PMOS transistors M21 and M22, NMOS transistors M23 and M24, a first node Dy, and a second node DBy. The PMOS transistors M21 and M22 are connected to the power supply line PLy. The first node Dy is connected to the search line SL via the PMOS transistor M27, and the second node DBy is connected to the search line SLB via the PMOS transistor M28. The gates of the PMOS transistors M27 and M28 are connected to the word line WLy.

不揮発性記憶部20yは、MTJ素子Ry、RBy、書き込み電流配線N21、NMOSトランジスタM25、M26を有している。NMOSトランジスタM25、M26のゲートは書き込みワード線WWLyに接続されている。MTJ素子Ry、RByには相補データが書き込まれる。第1ノードDyは、MTJ素子Ryに書き込まれた記憶データに応じた電位を保持し、第2ノードDByは、MTJ素子RByに書き込まれた反転データに応じた電位を保持する。   The nonvolatile memory unit 20y includes MTJ elements Ry and RBy, a write current wiring N21, and NMOS transistors M25 and M26. The gates of the NMOS transistors M25 and M26 are connected to the write word line WWLi. Complementary data is written in the MTJ elements Ry and RBy. The first node Dy holds a potential corresponding to the stored data written in the MTJ element Ry, and the second node DBy holds a potential corresponding to the inverted data written in the MTJ element RBy.

本実施の形態に係る一致検出部25において、NMOSトランジスタM9のゲートは、電位保持部15xの第2ノードDBxに接続されている。また、NMOSトランジスタM10のゲートは、電位保持部15yの第1ノードDyに接続されている。その他の接続関係は、第1の実施の形態と同じである。   In the coincidence detection unit 25 according to the present embodiment, the gate of the NMOS transistor M9 is connected to the second node DBx of the potential holding unit 15x. The gate of the NMOS transistor M10 is connected to the first node Dy of the potential holding unit 15y. Other connection relationships are the same as those in the first embodiment.

記憶データが“0”の場合、第1ノードDyはローレベル、第2ノードDBxはハイレベルである。記憶データが“1”の場合、第1ノードDyはハイレベル、第2ノードDBxはローレベルである。記憶データが“X”の場合、第1ノードDyと第2ノードDBxは共に同じローレベルである。データ検索動作は、次の通りである。   When the stored data is “0”, the first node Dy is at a low level and the second node DBx is at a high level. When the stored data is “1”, the first node Dy is at a high level and the second node DBx is at a low level. When the stored data is “X”, the first node Dy and the second node DBx are both at the same low level. The data search operation is as follows.

データ検索動作時、書き込みワード線WWLx、WWLyにハイレベルが印加され、NMOSトランジスタM5、M6、M25、M26がONする。書き込みビット線WBL、WBLBには共にローレベルが印加される。電源線PLx、PLyにはハイレベルが印加される。ワード線WLx、WLyにはハイレベルが印加され、PMOSトランジスタM7、M8、M27、M28がOFFする。   During the data search operation, a high level is applied to the write word lines WWLx and WWLi, and the NMOS transistors M5, M6, M25, and M26 are turned on. A low level is applied to both the write bit lines WBL and WBLB. A high level is applied to the power supply lines PLx and PLy. A high level is applied to the word lines WLx, WLy, and the PMOS transistors M7, M8, M27, M28 are turned off.

まず、マッチ線MLがハイレベルにプリチャージされ、その後、マッチ線MLはハイインピーダンス状態に設定される。次に、検索データに応じた電位がサーチ線SL、SLBに印加される。例えば、検索データが“0”の場合、サーチ線SLにローレベル、サーチ線SLBにハイレベルが印加される。その結果、NMOSトランジスタM11がOFFし、NMOSトランジスタM12がONする。   First, the match line ML is precharged to a high level, and then the match line ML is set to a high impedance state. Next, a potential corresponding to the search data is applied to the search lines SL and SLB. For example, when the search data is “0”, a low level is applied to the search line SL and a high level is applied to the search line SLB. As a result, the NMOS transistor M11 is turned off and the NMOS transistor M12 is turned on.

CAMセル10の記憶データが“0”の場合、すなわち、検索データが記憶データと一致する場合、第1ノードDyはローレベルであり、第2ノードDBxはハイレベルである。よって、NMOSトランジスタM10がOFFし、NMOSトランジスタM9がONする。この場合、マッチ線MLはハイレベルのまま維持される。この状態(第1状態)が、「一致」を表す。   When the stored data of the CAM cell 10 is “0”, that is, when the search data matches the stored data, the first node Dy is at a low level and the second node DBx is at a high level. Therefore, the NMOS transistor M10 is turned off and the NMOS transistor M9 is turned on. In this case, the match line ML is maintained at a high level. This state (first state) represents “match”.

CAMセル10の記憶データが“1”の場合、すなわち、検索データが記憶データと一致しない場合(検索データが反転データと一致する場合)、第1ノードDyはハイレベルであり、第2ノードDBxはローレベルである。よって、NMOSトランジスタM10がONし、NMOSトランジスタM9がOFFする。この場合、マッチ線MLがNMOSトランジスタM10、M12を通してグランド線につながるため、マッチ線MLの電位がローレベルとなる。この状態(第2状態)が、「不一致」を表す。   When the stored data of the CAM cell 10 is “1”, that is, when the search data does not match the stored data (when the search data matches the inverted data), the first node Dy is at the high level and the second node DBx Is low level. Therefore, the NMOS transistor M10 is turned on and the NMOS transistor M9 is turned off. In this case, since the match line ML is connected to the ground line through the NMOS transistors M10 and M12, the potential of the match line ML becomes low level. This state (second state) represents “mismatch”.

CAMセル10の記憶データが“X”の場合、第1ノードDyと第2ノードDBxは共に同じローレベルである。よって、NMOSトランジスタM9、M10は共にOFFのままであり、マッチ線MLはハイレベルのまま維持される。この状態(第1状態)は、検索データが記憶データと一致する場合の状態と同じである。すなわち、“X”状態のビットは“Don’t care”を意味し、検索データとして“0”が入力されても“1”が入力されても一致とみなされる。   When the stored data of the CAM cell 10 is “X”, both the first node Dy and the second node DBx are at the same low level. Therefore, both the NMOS transistors M9 and M10 remain OFF, and the match line ML is maintained at the high level. This state (first state) is the same as the state where the search data matches the stored data. That is, the bit in the “X” state means “Don't care”, and it is regarded as a match regardless of whether “0” or “1” is input as search data.

本実施の形態によれば、第1の実施の形態と同じ効果が得られる。更に、検索動作に適した“X”状態を記憶できるTCAMセルが実現される。尚、矛盾しない限りにおいて、本実施の形態と既出の実施の形態とを組み合わせることも可能である。   According to the present embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained. Further, a TCAM cell that can store an “X” state suitable for the search operation is realized. As long as there is no contradiction, it is possible to combine the present embodiment and the above-described embodiment.

4.第4の実施の形態
図18は、第4の実施の形態に係るCAMセル10の構成例を示す回路図である。本実施の形態において、CAMセル10は複数の不揮発性記憶部20を備えており、各不揮発性記憶部20が1ビットのデータを記憶することができる。
4). Fourth Embodiment FIG. 18 is a circuit diagram showing a configuration example of a CAM cell 10 according to a fourth embodiment. In the present embodiment, the CAM cell 10 includes a plurality of nonvolatile storage units 20, and each nonvolatile storage unit 20 can store 1-bit data.

図18の例では、CAMセル10は、2つの不揮発性記憶部20−1、20−2を備えており、全体として2ビットのデータを記憶することができる。不揮発性記憶部20−1は、MTJ素子R、RB、NMOSトランジスタM5、M6、書き込み電流配線(ノードN1)、書き込みワード線WWL−1を有している。不揮発性記憶部20−2は、MTJ素子R2、RB2、NMOSトランジスタM25、M26、書き込み電流配線(ノードN2)、書き込みワード線WWL−2を有している。各不揮発性記憶部20と電位保持部15との接続関係は、第1の実施の形態と同じである。   In the example of FIG. 18, the CAM cell 10 includes two nonvolatile storage units 20-1 and 20-2, and can store 2-bit data as a whole. The nonvolatile memory unit 20-1 includes MTJ elements R and RB, NMOS transistors M5 and M6, a write current wiring (node N1), and a write word line WWL-1. The nonvolatile memory unit 20-2 includes MTJ elements R2 and RB2, NMOS transistors M25 and M26, a write current wiring (node N2), and a write word line WWL-2. The connection relationship between each nonvolatile memory unit 20 and the potential holding unit 15 is the same as that in the first embodiment.

本実施の形態によれば、書き込みワード線WWL−1、WWL−2のうち1本だけを活性化することによって、使用する1つの不揮発性記憶部20を選択することが可能である。つまり、複数の不揮発性記憶部20のうち1つが活性化され、その活性化された1つの不揮発性記憶部20から電位保持部15にデータが転送される。各動作は、第1の実施の形態と同様である。   According to the present embodiment, it is possible to select one non-volatile storage unit 20 to be used by activating only one of the write word lines WWL-1 and WWL-2. That is, one of the plurality of nonvolatile storage units 20 is activated, and data is transferred from the activated nonvolatile storage unit 20 to the potential holding unit 15. Each operation is the same as that of the first embodiment.

本実施の形態によれば、第1の実施の形態と同じ効果が得られる。更に、複数の不揮発性記憶部20にそれぞれ異なる複数種類の記憶データを格納しておくことが可能である。そして、それら複数種類の記憶データのうち任意のものを電位保持部15に転送することができる。すなわち、CAMセル10としての記憶データを、高速に切り替えることが可能である。そして、不揮発性記憶部20以外の構成が複数種類の記憶データ間で共用されるため、CAM全体としての面積が低減される。尚、矛盾しない限りにおいて、本実施の形態と既出の実施の形態とを組み合わせることも可能である。   According to the present embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained. Furthermore, it is possible to store a plurality of different types of stored data in the plurality of nonvolatile storage units 20. Any of the plurality of types of stored data can be transferred to the potential holding unit 15. That is, the stored data as the CAM cell 10 can be switched at high speed. And since structures other than the non-volatile memory | storage part 20 are shared between several types of memory | storage data, the area as the whole CAM is reduced. As long as there is no contradiction, it is possible to combine the present embodiment and the above-described embodiment.

5.第5の実施の形態
第5の実施の形態では、更に他の変形例を説明する。
5. Fifth Embodiment In the fifth embodiment, another modification will be described.

既出の図14で示されたように、CAMセル10は、PMOSトランジスタM13を備えていてもよい。PMOSトランジスタM13のゲートはワード線WLに接続され、そのソース/ドレインの一方は第1ノードDに接続され、ソース/ドレインの他方は第2ノードDBに接続されている。このPMOSトランジスタM13は、第1ノードDと第2ノードDBとを電気的に接続あるいは切り離すスイッチとしての役割を果たす。   As shown in FIG. 14 described above, the CAM cell 10 may include a PMOS transistor M13. The gate of the PMOS transistor M13 is connected to the word line WL, one of the source / drain thereof is connected to the first node D, and the other of the source / drain is connected to the second node DB. The PMOS transistor M13 serves as a switch for electrically connecting or disconnecting the first node D and the second node DB.

図19に示されるように、CAMセル10は、2つのプリチャージ用PMOSトランジスタM14、M15を備えていてもよい。PMOSトランジスタM14のドレインは第2ノードDBに接続され、そのソースは電源線に接続され、そのゲートはワード線WLに接続されている。PMOSトランジスタM15のドレインは第1ノードDに接続され、そのソースは電源線に接続され、そのゲートはワード線WLに接続されている。これらPMOSトランジスタM14、M15は、ワード線WLによって制御されるスイッチであり、MTJ素子から電位保持部15へのデータ転送時に第1ノードDと第2ノードDBをハイレベルにプリチャージするために用いられる。これにより、MTJ素子から電位保持部15へのデータ転送動作マージン、つまり、トランジスタやMTJ素子の素子ばらつきに対して高い耐性を得ることができる。   As shown in FIG. 19, the CAM cell 10 may include two precharging PMOS transistors M14 and M15. The drain of the PMOS transistor M14 is connected to the second node DB, its source is connected to the power supply line, and its gate is connected to the word line WL. The drain of the PMOS transistor M15 is connected to the first node D, its source is connected to the power supply line, and its gate is connected to the word line WL. The PMOS transistors M14 and M15 are switches controlled by the word line WL, and are used to precharge the first node D and the second node DB to a high level during data transfer from the MTJ element to the potential holding unit 15. It is done. As a result, it is possible to obtain a high tolerance against the data transfer operation margin from the MTJ element to the potential holding unit 15, that is, the element variation of the transistor and the MTJ element.

また、図20に示されるように、CAMセル10は、プルダウン用NMOSトランジスタM16を備えていてもよい。NMOSトランジスタM16のドレインはノードN1に接続され、そのソースはグランド線に接続され、そのゲートはプルダウン線PDに接続されている。このNMOSトランジスタM16は、プルダウン線PDによって制御されるスイッチである。スタンバイ時およびデータ検索動作時、プルダウン線PDにハイレベルが印加され、NMOSトランジスタM16はONする。MTJ素子へのデータ書き込み動作時、および、MTJ素子から電位保持部15へのデータ転送時、選択された行におけるプルダウン線PDにローレベルが印加され、選択セルのNMOSトランジスタM16はOFFする。これにより、動作モードが変化した時に、電圧が変化する制御線の数が減少し、消費電力を抑えることができる。   As shown in FIG. 20, the CAM cell 10 may include a pull-down NMOS transistor M16. The drain of the NMOS transistor M16 is connected to the node N1, its source is connected to the ground line, and its gate is connected to the pull-down line PD. The NMOS transistor M16 is a switch controlled by a pull-down line PD. During standby and data search operation, a high level is applied to the pull-down line PD, and the NMOS transistor M16 is turned on. During a data write operation to the MTJ element and during data transfer from the MTJ element to the potential holding unit 15, a low level is applied to the pull-down line PD in the selected row, and the NMOS transistor M16 of the selected cell is turned off. Thereby, when the operation mode is changed, the number of control lines whose voltage changes is reduced, and power consumption can be suppressed.

例えば、第1の実施の形態においては、「スタンバイ」から「MTJ素子へのデータ書き込み」に動作モードが変化したとき、非選択行の全ての書き込みワード線WWLはハイレベルからローレベルへ変化する。そのため、電圧が変化する制御線の数が多い。選択行の書き込みワード線WWLはハイレベルのままである。一方、図20の場合、同様の動作モードの変化に対し、電圧が変化する制御線は、選択行の書き込みワード線WWLと選択行のプルダウン線PDの2本である。このように電圧が変化する制御線の数を減らすことができるので、動作時の消費電力を抑えることができる。   For example, in the first embodiment, when the operation mode changes from “standby” to “data writing to the MTJ element”, all the write word lines WWL in the non-selected rows change from the high level to the low level. . Therefore, the number of control lines on which the voltage changes is large. The write word line WWL of the selected row remains at the high level. On the other hand, in the case of FIG. 20, there are two control lines whose voltage changes with respect to the same change in the operation mode: the write word line WWL of the selected row and the pull-down line PD of the selected row. As described above, since the number of control lines whose voltage changes can be reduced, power consumption during operation can be suppressed.

また、プルダウン用のNMOSトランジスタM16は、複数のCAMセル10によって共用されてもよい。例えば、図21及び図22で示されるように、NMOSトランジスタM6、M16は、サブビット線SWBLBに接続されており、隣接する複数のCAMセル10−0〜10−n間で共有化されている。NMOSトランジスタM6のゲートは、共通書き込みワード線CWWLに接続されている。これにより、トランジスタの数を削減でき、メモリセルの面積を小さくすることができる。   The pull-down NMOS transistor M16 may be shared by a plurality of CAM cells 10. For example, as shown in FIG. 21 and FIG. 22, the NMOS transistors M6 and M16 are connected to the sub bit line SWBLB and are shared between a plurality of adjacent CAM cells 10-0 to 10-n. The gate of the NMOS transistor M6 is connected to the common write word line CWWL. Thereby, the number of transistors can be reduced, and the area of the memory cell can be reduced.

次に、図21で示されたCAMセル10を例にとって、その動作を詳しく説明する。図19や図20で示された場合も同様である。CAMセル10の動作としては、(1)MTJ素子へのデータ書き込み、及び、MTJ素子から電位保持部15へのデータ転送、(2)MTJ素子から電位保持部15へのデータ転送、及び(3)データ検索が挙げられる。   Next, the operation will be described in detail by taking the CAM cell 10 shown in FIG. 21 as an example. The same applies to the case shown in FIGS. 19 and 20. The operation of the CAM cell 10 includes (1) data writing to the MTJ element, data transfer from the MTJ element to the potential holding unit 15, (2) data transfer from the MTJ element to the potential holding unit 15, and (3 ) Data search can be mentioned.

(1)図23に示された期間T1を参照して、CAMセル10におけるMTJ素子へのデータ書き込み動作、及び、MTJ素子から電位保持部15へのデータ転送について説明する。   (1) The data write operation to the MTJ element in the CAM cell 10 and the data transfer from the MTJ element to the potential holding unit 15 will be described with reference to the period T1 shown in FIG.

選択セルを含むセルグループのプルダウン線PDにローレベルが印加され、NMOSトランジスタM16がOFFする。選択セルの書き込みワード線WWL及び共通書き込みワード線CWWLにハイレベルが印加され、NMOSトランジスタM5及びM6がONする。書き込みビット線WBL、WBLBには、書き込みデータに応じて相補の電圧が印加される。その結果、書き込み電流Iwが、書き込みビット線WBLとWBLBの間を、選択セルに対応するNMOSトランジスタM5とM6を介して流れる。これによりMTJ素子へのデータ書き込みが行われる。この時、サブビット線SWBLBの電位は、電位保持部15のデータを破壊するほど高くまでは上昇しない。そのため、選択セルと同一セルグループの非選択セルのデータは破壊されない。   A low level is applied to the pull-down line PD of the cell group including the selected cell, and the NMOS transistor M16 is turned OFF. A high level is applied to the write word line WWL and the common write word line CWWL of the selected cell, and the NMOS transistors M5 and M6 are turned on. Complementary voltages are applied to the write bit lines WBL and WBLB according to the write data. As a result, the write current Iw flows between the write bit lines WBL and WBLB via the NMOS transistors M5 and M6 corresponding to the selected cell. Thereby, data writing to the MTJ element is performed. At this time, the potential of the sub bit line SWBLB does not rise to such a high level that the data in the potential holding unit 15 is destroyed. For this reason, data of unselected cells in the same cell group as the selected cell is not destroyed.

データ書き込みに引き続き、MTJ素子から電位保持部15へのデータ転送が行われる。書き込みワード線WWL及び共通書き込みワード線CWWLにローレベルが印加され、NMOSトランジスタM5及びM6がOFFする。また、プルダウン線PDにハイレベルが印加され、NMOSトランジスタM16がONする。その結果、サブビット線SWBLBの電位は、電位保持部15のデータを破壊しない程度に低くなる。   Subsequent to the data writing, data transfer from the MTJ element to the potential holding unit 15 is performed. A low level is applied to the write word line WWL and the common write word line CWWL, and the NMOS transistors M5 and M6 are turned off. Further, a high level is applied to the pull-down line PD, and the NMOS transistor M16 is turned on. As a result, the potential of the sub bit line SWBLB becomes low enough not to destroy the data in the potential holding unit 15.

更に、選択セルに接続されたワード線WLにローレベルが印加され、PMOSトランジスタM13〜M15がONする。その結果、第1ノードD及び第2ノードDBは共にハイレベルに充電される。MTJ素子RとRBには、記憶データに応じたトンネル電流がそれぞれ流れ、第1ノードDと第2ノードDBとの間には記憶データに応じた小さな電位差が生じる。このとき、サブビット線SWBLBの電位は、非選択セルの電位保持部15のデータを破壊しない程度に十分低い。   Further, a low level is applied to the word line WL connected to the selected cell, and the PMOS transistors M13 to M15 are turned on. As a result, both the first node D and the second node DB are charged to a high level. A tunnel current corresponding to the stored data flows through the MTJ elements R and RB, and a small potential difference corresponding to the stored data is generated between the first node D and the second node DB. At this time, the potential of the sub bit line SWBLB is sufficiently low so as not to destroy the data in the potential holding unit 15 of the non-selected cell.

その後、ワード線WLにハイレベルが印加され、PMOSトランジスタM13〜M15がOFFする。第1ノードDに蓄積された電荷は、NMOSトランジスタM4、MTJ素子R、NMOSトランジスタM16を通して、放電される。第2ノードDBに蓄積された電荷は、NMOSトランジスタM3、MTJ素子RB、NMOSトランジスタM16を通して、放電される。その結果、既出の実施の形態と同様に、MTJ素子から電位保持部15へのデータ転送が実現される。   Thereafter, a high level is applied to the word line WL, and the PMOS transistors M13 to M15 are turned off. The charge accumulated in the first node D is discharged through the NMOS transistor M4, the MTJ element R, and the NMOS transistor M16. The charge accumulated in the second node DB is discharged through the NMOS transistor M3, the MTJ element RB, and the NMOS transistor M16. As a result, data transfer from the MTJ element to the potential holding unit 15 is realized as in the above-described embodiment.

このようにして、選択セルを含むセルグループの非選択セルのデータを破壊することなく、データ書き込みを行うことができる。   In this manner, data writing can be performed without destroying data of non-selected cells in the cell group including the selected cell.

(2)図24は、CAMセル10におけるMTJ素子から電位保持部15へのデータ転送を示すタイミングチャートである。これは、上述したMTJ素子へのデータ書き込みに引き続くデータ転送動作と同様であり、その説明を省略する。   (2) FIG. 24 is a timing chart showing data transfer from the MTJ element to the potential holding unit 15 in the CAM cell 10. This is the same as the data transfer operation subsequent to the data writing to the MTJ element described above, and the description thereof is omitted.

電源立ち上げ時は、複数のセルグループに含まれる全てのセルで同時にデータ転送することが好ましい。これは、複数のワード線WLの制御により実現できる。これにより、電源立ち上げ時に、複数のセルグループで同時にデータ転送を行うことができ、すぐにデータ復帰できる。但し、この場合の消費電力は、選択行のみでのデータ転送を行う場合に比べ大きくなる。そのため、上述のMTJ素子へのデータ書き込みに引き続くデータ転送時と、電源立ち上げ時とで、データ転送を実施するビット数を変更できることが好ましい。   When power is turned on, it is preferable to transfer data simultaneously in all cells included in a plurality of cell groups. This can be realized by controlling a plurality of word lines WL. As a result, when power is turned on, data transfer can be performed simultaneously in a plurality of cell groups, and data can be restored immediately. However, the power consumption in this case is larger than when data transfer is performed only on the selected row. For this reason, it is preferable that the number of bits for performing data transfer can be changed at the time of data transfer following data writing to the MTJ element and at the time of power-on.

(3)データ検索動作時、書き込みワード線WWLと書き込みビット線WBLを用いる代わりに、プルダウン用のNMOSトランジスタM16を用いて、ノードN1(サブビット線SWBLB)をローレベルに設定する。それ以外は既出の実施の形態と同様であり、その説明を省略する。   (3) During the data search operation, the node N1 (sub-bit line SWBLB) is set to the low level using the pull-down NMOS transistor M16 instead of using the write word line WWL and the write bit line WBL. Other than that, it is the same as the above-described embodiment, and the description thereof is omitted.

尚、矛盾しない限りにおいて、第5の実施の形態と既出の実施の形態とを組み合わせることも可能である。   As long as there is no contradiction, it is possible to combine the fifth embodiment and the above-described embodiment.

以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be appropriately changed by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

本出願は、2009年5月29日に出願された日本国特許出願2009−130268、及び、2009年6月16日に出願された日本国特許出願2009−143694を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
This application claims priority based on Japanese Patent Application 2009-130268 filed on May 29, 2009 and Japanese Patent Application 2009-143694 filed on June 16, 2009. , The entire disclosure of which is incorporated herein.

Claims (4)

行列状に配置された複数のCAMセルを備えるCAMであって、
前記複数のCAMセルの各々は、
書き込み電流が流れる書き込み電流配線と、
前記書き込み電流によって記憶データが書き込まれる第1磁気抵抗素子と、
前記書き込み電流によって前記記憶データの反転データが書き込まれる第2磁気抵抗素子と、
前記書き込み電流配線と第1書き込みビット線との間に介在し、ゲートが書き込みワード線に接続された第1トランジスタと、
前記書き込み電流配線と第2書き込みビット線との間に介在し、ゲートが前記書き込みワード線に接続された第2トランジスタと、
第1ノードと、
第2ノードと、
入力端子が前記第2ノードに接続され、出力端子が前記第1ノードに接続され、PMOSトランジスタのソースが電源線に接続され、NMOSトランジスタのソースが前記第1磁気抵抗素子の一端に接続された第1インバータと、
入力端子が前記第1ノードに接続され、出力端子が前記第2ノードに接続され、PMOSトランジスタのソースが前記電源線に接続され、NMOSトランジスタのソースが前記第2磁気抵抗素子の一端に接続された第2インバータと、
ゲートが前記第2ノードに接続され、ドレインがマッチ線に接続された第3トランジスタと、
ゲートが前記第1ノードに接続され、ドレインが前記マッチ線に接続された第4トランジスタと、
ゲートが第1サーチ線に接続され、ソースが接地され、ドレインが前記第3トランジスタのソースに接続された第5トランジスタと、
ゲートが第2サーチ線に接続され、ソースが接地され、ドレインが前記第4トランジスタのソースに接続された第6トランジスタと
プリチャージ信号線と、
前記プリチャージ信号線に供給される電圧レベルに応じて、オン又はオフするプリチャージスイッチであって、前記電圧レベルが第1電圧レベルの場合にオンとなり、前記第1ノード及び前記第2ノードをプリチャージするプリチャージスイッチと
を備え、
前記第1書き込みビット線及び前記第2書き込みビット線は、列方向に延伸し、
前記プリチャージ信号線は、前記列方向に対して垂直な行方向に延伸している
CAM。
A CAM comprising a plurality of CAM cells arranged in a matrix ,
Each of the plurality of CAM cells includes:
A write current wiring through which a write current flows; and
A first magnetoresistive element to which stored data is written by the write current;
A second magnetoresistive element to which inverted data of the stored data is written by the write current;
A first transistor interposed between the write current line and the first write bit line and having a gate connected to the write word line;
A second transistor interposed between the write current line and the second write bit line and having a gate connected to the write word line;
A first node;
A second node;
An input terminal is connected to the second node, an output terminal is connected to the first node, a source of the PMOS transistor is connected to a power supply line, and a source of the NMOS transistor is connected to one end of the first magnetoresistive element. A first inverter;
An input terminal is connected to the first node, an output terminal is connected to the second node, a source of the PMOS transistor is connected to the power supply line, and a source of the NMOS transistor is connected to one end of the second magnetoresistive element. A second inverter,
A third transistor having a gate connected to the second node and a drain connected to the match line;
A fourth transistor having a gate connected to the first node and a drain connected to the match line;
A fifth transistor having a gate connected to the first search line, a source grounded, and a drain connected to the source of the third transistor;
A sixth transistor having a gate connected to the second search line, a source grounded, and a drain connected to the source of the fourth transistor ;
A precharge signal line;
A precharge switch that is turned on or off according to a voltage level supplied to the precharge signal line, and is turned on when the voltage level is a first voltage level, and the first node and the second node are turned on. for example Bei and the pre-charge switch to pre-charge,
The first write bit line and the second write bit line extend in a column direction;
The precharge signal line is a CAM extending in a row direction perpendicular to the column direction .
請求項1に記載のCAMであって、The CAM according to claim 1, wherein
前記第1ノード及び前記第2ノードに電源電圧を供給するための電源電圧供給部を更に備え、A power supply voltage supply unit for supplying a power supply voltage to the first node and the second node;
前記プリチャージスイッチは、The precharge switch is
ソースが前記電源電圧供給部に接続され、ドレインが前記第1ノードに接続され、ゲートが前記プリチャージ信号線に接続された第1プリチャージトランジスタと、A first precharge transistor having a source connected to the power supply voltage supply unit, a drain connected to the first node, and a gate connected to the precharge signal line;
ソースが前記電源電圧供給部に接続され、ドレインが前記第2ノードに接続され、ゲートが前記プリチャージ信号線に接続された第2プリチャージトランジスタとA second precharge transistor having a source connected to the power supply voltage supply unit, a drain connected to the second node, and a gate connected to the precharge signal line;
を含むincluding
CAM。CAM.
請求項1又は2に記載のCAMであって、
前記第1磁気抵抗素子の他端と前記第2磁気抵抗素子の他端は互いに電気的に接続されている
CAM。
The CAM according to claim 1 or 2 ,
A CAM in which the other end of the first magnetoresistive element and the other end of the second magnetoresistive element are electrically connected to each other.
請求項1から3のいずれか一項に記載のCAMであって、
前記各々のCAMセルは、更に、前記第1ノードと前記第2ノードとを電気的に接続あるいは切り離すスイッチを備える
CAM。
The CAM according to any one of claims 1 to 3 ,
Each CAM cell further includes a switch for electrically connecting or disconnecting the first node and the second node.
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