JP6261041B2 - Nonvolatile content addressable memory cell and nonvolatile content addressable memory - Google Patents

Nonvolatile content addressable memory cell and nonvolatile content addressable memory Download PDF

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Description

この発明は、不揮発性連想メモリセル及び不揮発性連想メモリに関する。   The present invention relates to a nonvolatile content addressable memory cell and a nonvolatile content addressable memory.

現代のネットワーク社会を支える重要な技術の1つであるパターンマッチング技術を実現する専用ハードウェアエンジンとして、連想メモリ(CAM:Content-Addressable Memory)を活用する方法が知られている。この連想メモリの代表例として、三値連想メモリ(TCAM:Ternary Content-Addressable Memory)が注目されている。   As a dedicated hardware engine that realizes pattern matching technology, which is one of the important technologies that support the modern network society, a method of using content-addressable memory (CAM) is known. As a representative example of this associative memory, a ternary content-addressable memory (TCAM) has attracted attention.

TCAMは、記憶されているデータと入力されたデータを並列に検索できるため、非常に高速な検索が可能である。また、TCAMは、通常の「0」、「1」に加え、「Don’t−care(X)」の3つの記憶状態を定義することにより、マスク検索機能を実現している。このように検索の高速性・柔軟性を兼ね備えたTCAMは、ネットワークルータ、ウイルス検索、画像・音声認識など様々な分野への応用が可能である。   Since TCAM can search stored data and input data in parallel, a very high-speed search is possible. The TCAM implements a mask search function by defining three storage states “Don't-care (X)” in addition to the usual “0” and “1”. As described above, the TCAM having both high speed and flexibility of search can be applied to various fields such as network routers, virus search, image / voice recognition, and the like.

一方で、トランジスタの極限的微細化に伴い、近年の集積回路においては待機時にリーク電流によって消費される電力、すなわち待機電力の増大が深刻になってきている。このような待機電力は、非稼働状態の回路ブロックの電源を一時的に遮断することで削減可能である。しかしながら、TCAMが集積回路としてSRAM(Static Random Access Memory)等をベースとした揮発ロジック回路を用いている場合、回路内に保持されている記憶状態は全て消滅してしまう。   On the other hand, with the extreme miniaturization of transistors, in recent integrated circuits, an increase in power consumed by leakage current during standby, that is, standby power, has become serious. Such standby power can be reduced by temporarily shutting off the power of the circuit block in the non-operating state. However, when the TCAM uses a volatile logic circuit based on SRAM (Static Random Access Memory) or the like as an integrated circuit, all the storage states held in the circuit are lost.

このような問題を解決するため、記憶データを不揮発性のデバイス(不揮発メモリ)に保持する不揮発のTCAMの開発が進んでいる。不揮発メモリの中でも特に、スピントロニクス素子の1種であり、抵抗変化型の記憶素子である磁気トンネル接合素子(Magnetic Tunnel Junction素子:MTJ素子)を使用したメモリは、その高い書き換え耐性とCMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)親和性、3次元集積性等の観点から有力視されている。   In order to solve such a problem, development of a nonvolatile TCAM that holds stored data in a nonvolatile device (nonvolatile memory) is in progress. Among nonvolatile memories, in particular, a memory using a magnetic tunnel junction element (Magnetic Tunnel Junction element: MTJ element), which is a kind of spintronic element and is a resistance change type storage element, has high rewrite resistance and CMOS (Complementary Metal). -Oxide Semiconductor) It is considered promising from the viewpoints of affinity, three-dimensional integration, and the like.

MTJ素子MTJは、図1(a)、(b)に示すように、フリー層FRと、固定層FIと、トンネルバリアTBと、を備える。   As illustrated in FIGS. 1A and 1B, the MTJ element MTJ includes a free layer FR, a fixed layer FI, and a tunnel barrier TB.

トンネルバリアTBはMgOやAl等の絶縁体の薄膜で構成されている。フリー層FR及び固定層FIは、鉄やコバルト、及びこれらの合金等の強磁性体で構成されている。フリー層FRには上部電極端子TEが、固定層FIには下部電極端子BEが、それぞれ設けられている。フリー層FRの磁化の向きがMTJ素子MTJを流れる電流の向きに応じて変化するのに対し、固定層FIの磁化の向きは変化しない。 The tunnel barrier TB is made of an insulating thin film such as MgO or Al 2 O 3 . The free layer FR and the fixed layer FI are made of a ferromagnetic material such as iron, cobalt, and alloys thereof. The free layer FR is provided with an upper electrode terminal TE, and the fixed layer FI is provided with a lower electrode terminal BE. While the magnetization direction of the free layer FR changes according to the direction of the current flowing through the MTJ element MTJ, the magnetization direction of the fixed layer FI does not change.

図1(a)に示すように、フリー層FRの磁化の向きと固定層FIの向きとが同じ(平行)であるとき、MTJ素子MTJは電気抵抗が低い状態(低抵抗状態)をとる。一方、図1(b)に示すように、フリー層FRの磁化の向きと固定層FIの向きとが逆(反平行)であるとき、MTJ素子MTJは電気抵抗が高い状態(高抵抗状態)をとる。図1(a)、(b)において、フリー層FR及び固定層FIの磁化の向きは破線矢印で示されている。   As shown in FIG. 1A, when the magnetization direction of the free layer FR and the direction of the fixed layer FI are the same (parallel), the MTJ element MTJ is in a low electrical resistance state (low resistance state). On the other hand, as shown in FIG. 1B, when the magnetization direction of the free layer FR and the direction of the fixed layer FI are opposite (antiparallel), the MTJ element MTJ has a high electric resistance (high resistance state). Take. 1A and 1B, the magnetization directions of the free layer FR and the fixed layer FI are indicated by broken line arrows.

MTJ素子MTJに適当な電流を流すことによって、MTJ素子MTJに低抵抗状態又は高抵抗状態のうち所望の状態をとらせることができる。   By supplying an appropriate current to the MTJ element MTJ, the MTJ element MTJ can be in a desired state of the low resistance state or the high resistance state.

MTJ素子MTJが図1(b)に示す高抵抗状態にあるとき、フリー層FRから固定層FIへと向かう電流Imtjを供給すると、MTJ素子MTJは、図1(a)に示すように、低抵抗状態に遷移する。なお、MTJ素子MTJが低抵抗状態にあるときに電流Imtjが供給されると、低抵抗状態が維持される。   When the current Imtj from the free layer FR to the fixed layer FI is supplied when the MTJ element MTJ is in the high resistance state shown in FIG. 1B, the MTJ element MTJ becomes low as shown in FIG. Transition to the resistance state. If the current Imtj is supplied when the MTJ element MTJ is in the low resistance state, the low resistance state is maintained.

一方、MTJ素子MTJが図1(a)に示す低抵抗状態にあるとき、固定層FIからフリー層FRへと向かう電流−Imtjを供給すると、MTJ素子MTJは、図1(b)に示すように、高抵抗状態に遷移する。なお、MTJ素子MTJが高抵抗状態にあるときに電流−Imtjが供給されると、高抵抗状態が維持される。   On the other hand, when the current −Imtj from the fixed layer FI to the free layer FR is supplied when the MTJ element MTJ is in the low resistance state shown in FIG. 1A, the MTJ element MTJ becomes as shown in FIG. Then, a transition is made to the high resistance state. Note that if the current −Imtj is supplied when the MTJ element MTJ is in the high resistance state, the high resistance state is maintained.

従って、MTJ素子MTJは、図1(c)に示すように、可変抵抗とみなすことができる。   Therefore, the MTJ element MTJ can be regarded as a variable resistor as shown in FIG.

MTJ素子MTJの高抵抗状態を論理値「0」又は「1」の一方と、低抵抗状態を他方と、それぞれ対応付けることにより、MTJ素子MTJを記憶素子として機能させることができる。MTJ素子MTJのR−I特性が、図2に示すように、ヒステリシスを有するため、MTJ素子MTJの低抵抗状態及び高抵抗状態は、MTJ素子MTJに対する電流の供給を遮断しても維持される。したがって、MTJ素子MTJは不揮発性の記憶素子として機能する。なお、図2においてRpは低抵抗状態にあるMTJ素子MTJの電気抵抗値を、Rapは高抵抗状態における電気抵抗値をそれぞれ表している。   By associating the high resistance state of the MTJ element MTJ with one of the logical values “0” or “1” and the low resistance state with the other, the MTJ element MTJ can function as a storage element. Since the RI characteristic of the MTJ element MTJ has hysteresis as shown in FIG. 2, the low resistance state and the high resistance state of the MTJ element MTJ are maintained even if the supply of current to the MTJ element MTJ is cut off. . Therefore, the MTJ element MTJ functions as a nonvolatile memory element. In FIG. 2, Rp represents the electrical resistance value of the MTJ element MTJ in the low resistance state, and Rap represents the electrical resistance value in the high resistance state.

また、MTJ素子MTJの低抵抗状態をオン状態に、高抵抗状態をオフ状態にそれぞれ対応付けることにより、MTJ素子MTJをスイッチング素子としても機能させることができる。   In addition, the MTJ element MTJ can also function as a switching element by associating the low resistance state of the MTJ element MTJ with the on state and the high resistance state with the off state.

このようなMTJ素子を用いたTCAMのセル回路として、非特許文献1〜6は、トランジスタとMTJ素子とを有する構成のセル回路を開示している。非特許文献1には、2T(2個のトランジスタ)−2MTJ(2個のMTJ素子)構成が開示されている。非特許文献2には6T−2MTJ構成が開示されている。非特許文献3には4T−2MTJ構成が、非特許文献4には9T−2MTJ構成が、非特許文献5には7T−2MTJ構成が、非特許文献6には11T−3MTJ構成が、それぞれ開示されている。   As a TCAM cell circuit using such an MTJ element, Non-Patent Documents 1 to 6 disclose a cell circuit having a configuration including a transistor and an MTJ element. Non-Patent Document 1 discloses a 2T (two transistors) -2MTJ (two MTJ elements) configuration. Non-Patent Document 2 discloses a 6T-2MTJ configuration. Non-Patent Document 3 discloses a 4T-2MTJ configuration, Non-Patent Document 4 discloses a 9T-2MTJ configuration, Non-Patent Document 5 discloses a 7T-2MTJ configuration, and Non-Patent Document 6 discloses an 11T-3MTJ configuration. Has been.

図3(a)に非特許文献2のTCAMセルCC’の構成を示す。   FIG. 3A shows the configuration of the TCAM cell CC ′ of Non-Patent Document 2.

TCAMセルCC’にデータを書き込む際には、ワード線WLを介して書き込みトランジスタM5及びM6のゲート(制御端)に電圧を供給することにより、書き込みトランジスタM5、M6をオン状態にする。その後、書き込みトランジスタM5、M6のオン状態を維持したまま、ビット線BL1、BL2を用いてMTJ素子MTJ1、MTJ2にデータを書き込む。書き込まれたデータは、低抵抗状態又は高抵抗状態としてMTJ素子MTJ1、MTJ2に不揮発的に記憶される。TCAMセルCC’は、各々が高抵抗状態及び低抵抗状態に対応付けられた2値のデータを記憶できる2個のMTJ素子MTJ1、MTJ2を備え、「0」、「1」、「X(Don’t−care)」の3つの記憶状態を有する。   When writing data to the TCAM cell CC ′, the write transistors M5 and M6 are turned on by supplying a voltage to the gates (control terminals) of the write transistors M5 and M6 via the word line WL. Thereafter, data is written to the MTJ elements MTJ1 and MTJ2 using the bit lines BL1 and BL2 while the write transistors M5 and M6 are kept on. The written data is stored in the MTJ elements MTJ1 and MTJ2 in a nonvolatile manner as a low resistance state or a high resistance state. The TCAM cell CC ′ includes two MTJ elements MTJ1 and MTJ2 each capable of storing binary data associated with a high resistance state and a low resistance state, and includes “0”, “1”, “X (Don 't-care)' has three storage states.

検索動作時には、記憶データを示す比較論理回路10の抵抗値を、固定負荷LOが供給する電流ILOADによって出力電圧VCOに変換し、マッチ線MLの電位として検出する。記憶データが入力データと一致した場合及び「X(Don’t−Care)」が記憶されていた場合(HIT)、事前に電源電圧までプリチャージされていたマッチ線MLは高出力電圧VCO−Hまで放電される。一方、記憶データと入力データとが不一致の場合(MISS)、事前に電源電圧までプリチャージされていたマッチ線MLは低出力電圧VCO−Mまで放電される。このようにして、個々のTCAMセルCC’、及び共通のマッチ線MLに接続された複数のTCAMセルCC’で構成されたTCAMワード回路における検索結果は、マッチ線MLの電位として外部に出力される。 During the search operation, the resistance value of the comparison logic circuit 10 indicating the stored data, fixed loading LO is converted into an output voltage V CO by a current I LOAD is supplied is detected as the potential of the match line ML. When the stored data matches the input data and when “X (Don't-Care)” is stored (HIT), the match line ML that has been precharged up to the power supply voltage in advance is the high output voltage V CO−. Discharge to H. On the other hand, if the stored data and the input data do not match (MISS), the match line ML precharged up to the power supply voltage is discharged to the low output voltage V CO-M . In this way, the search result in the TCAM word circuit composed of the individual TCAM cells CC ′ and the plurality of TCAM cells CC ′ connected to the common match line ML is output to the outside as the potential of the match line ML. The

記憶データと入力データが一致した場合(HIT)における出力電圧VCOである高出力電圧VCO−Hは、図3(b)に示すように、電流曲線IHITと負荷電流曲線ILOADの交点によって決定される。一方、記憶データと入力データが不一致の場合(MISS)における出力電圧VCOである低出力電圧VCO−Mは、図3(b)に示すように、電流曲線IMISSと負荷電流曲線ILOADとの交点によって決定される。 As shown in FIG. 3B, the high output voltage V CO-H that is the output voltage V CO when the stored data and the input data match (HIT) is the intersection of the current curve I HIT and the load current curve I LOAD . Determined by. On the other hand, as shown in FIG. 3B, the low output voltage V CO-M that is the output voltage V CO in the case where the stored data and the input data do not match (MISS) is, as shown in FIG. 3B, the current curve I MISS and the load current curve I LOAD. Is determined by the intersection of

S.Matsunaga,et al.,“Implementation of a Perpendicular MTJ−Based Read−Disturb−Tolerant 2T−2R Nonvolatile TCAM Based on a Reversed Current Reading Schme”,Proc.Asia and South Pacific Design Automation Conference(ASP−DAC),pp.475−476,Jan.2012S. Matsunaga, et al. , “Implementation of a Perpendicular MTJ-Based Read-Disturb-Tolerant 2T-2R Nonvolatile TCAM Based on a Reversed Current Reading Scheme”, Proc. Asia and South Pacific Design Automation Conference (ASP-DAC), pp. 475-476, Jan. 2012 S.Matsunaga,et al.,“Fabrication of a 99%−Energy−Less Nonvolatile Multi−Functional CAM Chip Using Hierachical Power Gating for a Massively−Parallel Full−Text−Search Engine”,IEEE Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers,pp.106−107,2013S. Matsunaga, et al. , "Fabrication of a 99% -Energy-Less Nonvolatile Multi-Functional CAM Chip Using Hierachical Power Gating for a Massively-Parallel Full-Text-Search Engine", IEEE Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers, pp. 106-107, 2013 S.Matsunaga,et al.,“A 3.14μm2 4T−2MTJ−Cell Fully Parallel TCAM Based on Nonvolatile Login−in−Memory Architecture”,IEEE Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers,6−2,pp.44−45,2012S. Matsunaga, et al. , “A 3.14 μm 2 4T-2MTJ-Cell Fully Parallel TCAM Based on Nonvolatile Login-in-Memory Architecture, IEEE Symposium on VLSI Circuits. 44-45, 2012 S.Matsunaga,et al.,“Design of Nine−Transistor/Two−Magnetic−Tunnel−Junction−Cell−Based Low−Energy Nonvolatile Ternary Content−Addressable Memory”,Japanese Journal of Applied Physics(JJAP),vol.51,no.2,pp.02BM06−1〜02BM06−5,Feb.2012S. Matsunaga, et al. , “Design of Nine-Transistor / Two-Magnetic-Tunnel-Junction-Cell-Based Low-Energy Nonvolatility Persistent Content-Addressable Memory.”, Japan. 51, no. 2, pp. 02BM06-1 to 02BM06-5, Feb. 2012 S.Matsunaga,et al.,“Design of a 270ps−Access 7T−2MTJ−Cell Nonvolatile Ternary Content−Addressable Memory”,Journal of Applied Physics(JAP),vol.111,no.7,pp.07E336−1〜07E336−3,2012S. Matsunaga, et al. "Design of a 270ps-Access 7T-2MTJ-Cell Nonvolatile Ternary Content-Addressable Memory", Journal of Applied Physics (JAP), vol. 111, no. 7, pp. 07E336-1 to 07E336-3, 2012 W.Xu,et al.,“Design of Spin−Torque Transfer Magnetoresistive RAM and CAM/TCAM with High Sensing and Search Speed”,IEEE Transactions on Very Large Scale Integration(TVLSI) Systems,vol.18,no.1,pp.66−74,2010W. Xu, et al. , “Design of Spin-Torque Transfer Magnet RAM and CAM / TCAM with High Sensing and Search Speed Vs., IEEE Transactions Vs. 18, no. 1, pp. 66-74, 2010

現状のMTJ素子の抵抗値及び磁気抵抗比(抵抗変化率)は小さいため、MTJ素子の抵抗差(高抵抗状態における抵抗値と低抵抗状態における抵抗値との差)は、トランジスタのオン・オフ抵抗差と比べて小さい。このため、MTJ素子を用いたTCAMセルCC’、及び複数のTCAMセルCC’により構成されるワード回路において、マッチ線MLの出力電圧振幅ΔVCO(高出力電圧VCO−Hと低出力電圧VCO−Mとの差)が小さく、一致・不一致の比較演算結果を正常に判定して取り出すことが、一般的なトランジスタにより構成されるTCAMに比べて困難である。 Since the resistance value and magnetoresistance ratio (resistance change rate) of the current MTJ element are small, the resistance difference (the difference between the resistance value in the high resistance state and the resistance value in the low resistance state) of the MTJ element is the on / off state of the transistor. Small compared to resistance difference. For this reason, in a word circuit composed of a TCAM cell CC ′ using an MTJ element and a plurality of TCAM cells CC ′, the output voltage amplitude ΔV CO (high output voltage V CO-H and low output voltage V of the match line ML). the difference between the CO-M) is small, to retrieve the matching-mismatch comparison operation results of determination successfully, it is difficult in comparison with the configured TCAM by a general transistor.

特に、ナノメートル世代の微細な半導体製造プロセスにおいては、トランジスタの閾値電圧のばらつき及びMTJ素子のような抵抗変化型の不揮発記憶素子の抵抗値のばらつき等の影響により、上述のマッチ線MLの出力電圧振幅ΔVCOに対応するTCAMセルCC’及びワード回路の動作マージンが減衰する。そのため、一致・不一致の比較演算結果を正常に判定できない不良ワード回路が生じ、これを置換するためにワード回路を余分に用意する必要があった。また、高感度なセンスアップが必要不可欠となり、複雑な回路構成を余儀なくされ、チップ面積のコンパクト化を妨げていた。 In particular, in a minute semiconductor manufacturing process of the nanometer generation, the output of the match line ML described above is affected by variations in threshold voltage of transistors and variations in resistance values of variable resistance nonvolatile memory elements such as MTJ elements. the operating margin of the TCAM cell CC 'and a word circuit corresponding to the voltage amplitude [Delta] V CO is attenuated. For this reason, a defective word circuit in which the comparison result of coincidence / non-coincidence cannot be determined normally occurs, and it is necessary to prepare an extra word circuit to replace it. In addition, high-sensitivity sensing is indispensable, complicating a complicated circuit configuration, and preventing a reduction in chip area.

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、出力電圧振幅が大きく、コンパクト且つ並列書き込み可能な不揮発性連想メモリセル及び不揮発性連想メモリを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a non-volatile associative memory cell and a non-volatile associative memory which have a large output voltage amplitude and can be written in parallel.

上記目的を達成するために、本発明の第1の観点に係る不揮発性連想メモリセルは、
一端が所定の接続点に接続され、制御端が第1のサーチ線に接続された第1のトランジスタと、
一端が前記所定の接続点に接続され、制御端が第2のサーチ線に接続された第2のトランジスタと、
一端が前記所定の接続点に接続され、制御端が前記第2のサーチ線に接続された第3のトランジスタと、
一端が前記所定の接続点に接続され、制御端が前記第1のサーチ線に接続された第4のトランジスタと、
前記第1のトランジスタの他端と第2のプレート線との間に配置された第1の抵抗変化型記憶素子と、
前記第2のトランジスタの他端と前記第2のプレート線との間に配置された第2の抵抗変化型記憶素子と、
前記第3のトランジスタの他端と第1のプレート線との間に配置された第3の抵抗変化型記憶素子と、
前記第4のトランジスタの他端と前記第1のプレート線との間に配置された第4の抵抗変化型記憶素子と、
を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a nonvolatile content addressable memory cell according to a first aspect of the present invention provides:
A first transistor having one end connected to a predetermined connection point and a control end connected to a first search line;
A second transistor having one end connected to the predetermined connection point and a control end connected to a second search line;
A third transistor having one end connected to the predetermined connection point and a control end connected to the second search line;
A fourth transistor having one end connected to the predetermined connection point and a control end connected to the first search line;
A first resistance change type storage element disposed between the other end of the first transistor and a second plate line;
A second resistance change type storage element disposed between the other end of the second transistor and the second plate line;
A third resistance change type storage element disposed between the other end of the third transistor and the first plate line;
A fourth resistance change type storage element disposed between the other end of the fourth transistor and the first plate line;
It is characterized by providing.

好ましくは、前記不揮発性連想メモリセルは、
前記第1のトランジスタ及び前記第2のトランジスタは、第1の導電型の電界効果トランジスタであり、
前記第3のトランジスタ及び前記第4のトランジスタは、前記第1の導電型とは逆の導電型の第2の導電型の電界効果トランジスタである、
ことを特徴とする。
Preferably, the nonvolatile content addressable memory cell is
The first transistor and the second transistor are first conductivity type field effect transistors,
The third transistor and the fourth transistor are field effect transistors of a second conductivity type opposite to the first conductivity type.
It is characterized by that.

好ましくは、前記不揮発性連想メモリセルは、
前記第1、第2、第3、及び第4の抵抗変化型記憶素子のそれぞれは、下部電極端子と上部電極端子とを備え、
前記第1の抵抗変化型記憶素子の前記下部電極端子は、前記第1のトランジスタの前記他端に接続され、
前記第2の抵抗変化型記憶素子の前記下部電極端子は、前記第2のトランジスタの前記他端に接続され、
前記第3の抵抗変化型記憶素子の前記下部電極端子は、前記第3のトランジスタの前記他端に接続され、
前記第4の抵抗変化型記憶素子の前記下部電極端子は、前記第4のトランジスタの前記他端に接続された、
ことを特徴とする。
Preferably, the nonvolatile content addressable memory cell is
Each of the first, second, third, and fourth resistance change memory elements includes a lower electrode terminal and an upper electrode terminal;
The lower electrode terminal of the first resistance change type storage element is connected to the other end of the first transistor;
The lower electrode terminal of the second resistance change type storage element is connected to the other end of the second transistor;
The lower electrode terminal of the third resistance change type storage element is connected to the other end of the third transistor;
The lower electrode terminal of the fourth resistance change type storage element is connected to the other end of the fourth transistor;
It is characterized by that.

好ましくは、前記不揮発性連想メモリセルは、
一端が前記所定の接続点に接続され、他端と制御端とがマッチ線に接続された第5のトランジスタをさらに備えることを特徴とする。
Preferably, the nonvolatile content addressable memory cell is
The semiconductor device further includes a fifth transistor having one end connected to the predetermined connection point and the other end connected to a match line.

好ましくは、前記不揮発性連想メモリセルは、
前記第1のサーチ線は、前記第1のトランジスタの前記制御端に制御信号を伝達して、前記第1の抵抗変化型記憶素子にデータを書き込む第1のビット線と共有され、
前記第2のサーチ線は、前記第2のトランジスタの前記制御端に制御信号を伝達して、前記第2の抵抗変化型記憶素子にデータを書き込む第2のビット線と共有された、
ことを特徴とする。
Preferably, the nonvolatile content addressable memory cell is
The first search line is shared with a first bit line that transmits a control signal to the control terminal of the first transistor and writes data to the first resistance change type storage element.
The second search line is shared with a second bit line that transmits a control signal to the control terminal of the second transistor and writes data to the second resistance change storage element.
It is characterized by that.

本発明の第2の観点に係る不揮発性連想メモリは、
それぞれが、上記の不揮発性連想メモリセルであって、前記第1のプレート線と前記第2のプレート線とを共有する複数の不揮発性連想メモリセルと、
前記第1の抵抗変化型記憶素子及び前記第2の抵抗変化型記憶素子へのデータの書き込み動作時において、前記第1のプレート線に高電位と低電位とを交互に切り替えて供給する第1のプレート線ドライバと、
前記書き込み動作時において、前記第1のプレート線ドライバが前記第1のプレート線に高電位を供給しているときは前記第2のプレート線に低電位を供給し、前記第1のプレート線ドライバが前記第1のプレート線に低電位を供給しているときは前記第2のプレート線に高電位を供給するように、前記第2のプレート線に高電位と低電位とを交互に切り替えて供給する第2のプレート線ドライバと、
を備えることを特徴とする。
The nonvolatile content addressable memory according to the second aspect of the present invention is:
A plurality of nonvolatile content addressable memory cells each sharing the first plate line and the second plate line,
The first potential is supplied by alternately switching a high potential and a low potential to the first plate line during a data write operation to the first resistance change type storage element and the second resistance change type storage element. A plate wire driver,
In the write operation, when the first plate line driver supplies a high potential to the first plate line, a low potential is supplied to the second plate line, and the first plate line driver When a low potential is supplied to the first plate line, a high potential and a low potential are alternately switched to the second plate line so that a high potential is supplied to the second plate line. A second plate line driver to supply;
It is characterized by providing.

好ましくは、前記不揮発性連想メモリは、
前記第1のプレート線ドライバは、前記第1の抵抗変化型記憶素子及び前記第2の抵抗変化型記憶素子に書き込まれたデータの検索動作時において、前記第1のプレート線を電源線として機能させ、
前記第2のプレート線ドライバは、前記検索動作時において、前記第2のプレート線を接地線として機能させる、
ことを特徴とする。
Preferably, the non-volatile content addressable memory is
The first plate line driver functions as the power line in the search operation of data written in the first resistance change type storage element and the second resistance change type storage element. Let
The second plate line driver causes the second plate line to function as a ground line during the search operation.
It is characterized by that.

本発明によれば、出力電圧振幅が大きく、コンパクト且つ並列書き込み可能な不揮発性連想メモリセル及び不揮発性連想メモリを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a non-volatile associative memory cell and a non-volatile associative memory having a large output voltage amplitude and capable of being written in parallel and compact.

(a)は、低抵抗状態にあるMTJ素子を示す図である。(b)は、高抵抗状態にあるMTJ素子を示す図である。(c)は、MTJ素子と等価な可変抵抗を示す図である。(A) is a figure which shows the MTJ element in a low resistance state. (B) is a figure which shows the MTJ element in a high resistance state. (C) is a figure which shows the variable resistance equivalent to an MTJ element. MTJ素子のR−I特性を示す図である。It is a figure which shows the RI characteristic of an MTJ element. (a)は、非特許文献2に開示されたTCAMメモリセルの構成を示す図である。(b)は、非特許文献2に開示されたTCAMメモリセルの出力電圧振幅を示す図である。(A) is a figure which shows the structure of the TCAM memory cell disclosed by the nonpatent literature 2. FIG. (B) is a figure which shows the output voltage amplitude of the TCAM memory cell disclosed by the nonpatent literature 2. FIG. 実施形態に係るTCAMセルを備えたTCAMの全体構成を例示する図である。It is a figure which illustrates the whole structure of TCAM provided with the TCAM cell which concerns on embodiment. 実施形態に係るTCAMセルの構成を例示する図である。It is a figure which illustrates the structure of the TCAM cell which concerns on embodiment. (a)は、実施形態に係るTCAMセルにデータを書き込む動作を示すタイミングチャートである。(b)は、実施形態に係るTCAMセルの書き込み動作時の動作を示す図である。(A) is a timing chart showing an operation of writing data to the TCAM cell according to the embodiment. FIG. 5B is a diagram illustrating an operation during a write operation of the TCAM cell according to the embodiment. 実施形態に係るTCAMセルに他のデータを書き込む動作を説明するための図である。(a)はタイミングチャートを、(b)は回路の動作を、それぞれ示す図である。It is a figure for demonstrating the operation | movement which writes other data in the TCAM cell which concerns on embodiment. (A) is a timing chart, (b) is a diagram showing the operation of the circuit. 実施形態に係るTCAMセルの真理値表である。It is a truth table of the TCAM cell which concerns on embodiment. 実施形態に係るTCAMセルの出力電圧振幅を示す図である。It is a figure which shows the output voltage amplitude of the TCAM cell which concerns on embodiment. (a)は、従来の6T−2MTJ型のTCAMセルを用いたワード回路において72ビットの並列検索動作を行った場合のシミュレーション波形を示す図である。(b)は、実施形態に係る5T−4MTJ型のTCAMセルを用いたワード回路において72ビットの並列検索動作を行った場合のシミュレーション波形を示す図である。(A) is a figure which shows the simulation waveform at the time of performing 72-bit parallel search operation | movement in the word circuit using the conventional 6T-2MTJ type TCAM cell. (B) is a diagram showing a simulation waveform when a 72-bit parallel search operation is performed in the word circuit using the 5T-4MTJ type TCAM cell according to the embodiment.

以下、本発明に係る不揮発性連想メモリセル及び不揮発性連想メモリを、図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, a nonvolatile content addressable memory cell and a nonvolatile content addressable memory according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(実施形態)
図4に、実施形態に係る不揮発性連想メモリセルを備えたTCAMとして、ワードパラレル・ビットパラレル形(完全並列形)TCAM100の全体構成を示す。TCAM100は、図4に示すように、ワード回路WC1〜WCnと、ビット線ドライバBDと、サーチ線ドライバSDと、ワード線ドライバWDと、プレート線ドライバPDと、出力ドライバODと、を備える。
(Embodiment)
FIG. 4 shows the overall configuration of a word parallel / bit parallel type (fully parallel type) TCAM 100 as a TCAM including the nonvolatile content addressable memory cell according to the embodiment. As shown in FIG. 4, the TCAM 100 includes word circuits WC1 to WCn, a bit line driver BD, a search line driver SD, a word line driver WD, a plate line driver PD, and an output driver OD.

ワード回路WC1〜WCnは、外部からTCAM100に入力されたデータを記憶する。また、ワード回路WC1〜WCnは、外部からTCAM100に入力された検索データが各ワード回路の記憶しているデータと一致するか否かを判別する。   The word circuits WC1 to WCn store data input to the TCAM 100 from the outside. Further, the word circuits WC1 to WCn determine whether or not the search data input from the outside to the TCAM 100 matches the data stored in each word circuit.

ワード回路WC1〜WCnは、アレイ状に配置された複数のTCAMセルCCと、これらのTCAMセルCCが接続しているマッチ線ML1〜MLnと、センスアンプSA1〜SAnと、を備える。   The word circuits WC1 to WCn include a plurality of TCAM cells CC arranged in an array, match lines ML1 to MLn to which these TCAM cells CC are connected, and sense amplifiers SA1 to SAn.

以下、全てのワード回路WC1〜WCnを指す場合、及び不特定のワード回路を指す場合にはワード回路WCと表記する。同様に、マッチ線ML1〜MLn及びセンスアンプSA1〜SAnについても、個々を区別しない場合、マッチ線ML及びセンスアンプSAとそれぞれ表記する。   Hereinafter, when all the word circuits WC1 to WCn are pointed out and when an unspecified word circuit is pointed out, it is expressed as a word circuit WC. Similarly, the match lines ML1 to MLn and the sense amplifiers SA1 to SAn are also denoted as the match line ML and the sense amplifier SA, respectively, unless they are distinguished from each other.

各TCAMセルCCは、それぞれのTCAMセルCCを含むワード回路WCに記憶された多ビットのデータのうち1ビット分のデータを記憶している。さらに、TCAMセルCCは、記憶しているデータと検索データとが一致するか否かを判別する。即ち、各TCAMセルCCにおいて、各ワード回路WCに記憶されたデータと検索データとが一致するか否かがビット単位で判別される。   Each TCAM cell CC stores 1-bit data among multi-bit data stored in the word circuit WC including each TCAM cell CC. Further, the TCAM cell CC determines whether the stored data matches the search data. That is, in each TCAM cell CC, whether or not the data stored in each word circuit WC matches the search data is determined on a bit basis.

ワード回路WCによる一致判別の結果は、対応するマッチ線MLの電圧として対応するセンスアンプSAへと送られる。センスアンプSAは、受け取ったマッチ線MLの出力を増幅し、出力ドライバODへ送る。   The result of the match determination by the word circuit WC is sent to the corresponding sense amplifier SA as the voltage of the corresponding match line ML. The sense amplifier SA amplifies the received output of the match line ML and sends it to the output driver OD.

ビット線ドライバBD、ワード線ドライバWD、及びプレート線ドライバPDは、外部からTCAM100に入力されたデータをワード回路WCの各TCAMセルCCに書き込む。   The bit line driver BD, the word line driver WD, and the plate line driver PD write data input from the outside to the TCAM 100 in each TCAM cell CC of the word circuit WC.

ビット線ドライバBDは、ビット線BL1_1、BL2_1、〜、BL1_m、BL2_mを介して、各TCAMセルCCに接続されている。ワード線ドライバWDは、ワード線WL1〜WLnを介して、プレート線ドライバPDに接続されている。プレート線ドライバPDは、プレート線PL1_1、PL2_1、〜、PL1_n、PL2_nを介して、対応するワード回路WCに接続されている。以下、個々を区別しない場合、ビット線BL1_1、BL2_1、〜、BL1_m、BL2_m、ワード線WL1〜WLn、及びプレート線PL1_1、PL2_1、〜、PL1_n、PL2_nを、それぞれ、ビット線BL1、BL2、ワード線WL、プレート線PL1、PL2と表記する。   The bit line driver BD is connected to each TCAM cell CC via the bit lines BL1_1, BL2_1,..., BL1_m, BL2_m. The word line driver WD is connected to the plate line driver PD via the word lines WL1 to WLn. The plate line driver PD is connected to the corresponding word circuit WC via the plate lines PL1_1, PL2_1,..., PL1_n, PL2_n. Hereinafter, when not distinguishing each of the bit lines BL1_1, BL2_1,..., BL1_m, BL2_m, word lines WL1 to WLn, and plate lines PL1_1, PL2_1,. Indicated as WL, plate lines PL1, PL2.

書き込み動作時、ワード線ドライバWDは、外部からTCAM100へ入力されたロウアドレスをデコードすることにより、書き込みに用いるプレート線ドライバPDを特定する。また、ビット線ドライバBDは、外部からTCAM100へ入力されたカラムアドレスをデコードし、書き込みに用いるビット線BL1、BL2を特定する。外部からTCAM100へ入力されたデータは、ワード線ドライバWDからワード線WLを介して書き込み対象のプレート線ドライバPDを活性化させ、当該プレート線ドライバPDからプレート線PL1、PL2を介してTCAMセルCCへ電流を流すことにより書き込まれる。また、外部からTCAM100へ入力されたデータは、ビット線ドライバBDからビット線BL1、BL2を介してTCAMセルCCへ書き込まれる。
なお、ワード線ドライバWD、ビット線ドライバBD、及びプレート線ドライバPDによるデータの書き込み動作については、詳細に後述する。
During the write operation, the word line driver WD identifies the plate line driver PD used for writing by decoding the row address input to the TCAM 100 from the outside. In addition, the bit line driver BD decodes a column address input to the TCAM 100 from the outside, and specifies bit lines BL1 and BL2 used for writing. Data input from the outside to the TCAM 100 activates the plate line driver PD to be written from the word line driver WD via the word line WL, and the TCAM cell CC from the plate line driver PD via the plate lines PL1 and PL2. Is written by passing a current through Further, data input from the outside to the TCAM 100 is written from the bit line driver BD to the TCAM cell CC via the bit lines BL1 and BL2.
Note that data write operations by the word line driver WD, the bit line driver BD, and the plate line driver PD will be described later in detail.

サーチ線ドライバSDは、外部からTCAM100に入力された検索データをワード回路WCの各TCAMセルCCに入力する。   The search line driver SD inputs search data input from the outside to the TCAM 100 to each TCAM cell CC of the word circuit WC.

サーチ線ドライバSDは、サーチ線SL1、/SL1、〜、SLm、/SLmを介して各TCAMセルCCに接続されている。以下、個々を区別しない場合、サーチ線SL1、/SL1、〜、SLm、/SLmをサーチ線SL、/SLと表記する。なお、記号「/」は論理反転を表す。   The search line driver SD is connected to each TCAM cell CC via search lines SL1, / SL1,..., SLm, / SLm. Hereinafter, the search lines SL1, / SL1,..., SLm, / SLm will be referred to as the search lines SL, / SL when not distinguished from each other. The symbol “/” represents logical inversion.

検索動作時、サーチ線ドライバSDは、第1のサーチ線/SL及び第2のサーチ線SLを介して、外部から受け取った検索データを一斉に各TCAMセルCCに入力する。対応する第1のサーチ線/SLに入力される検索データ/Sと、第2のサーチ線SLを介して入力される検索データSと、は相補的な関係にある。即ち、第1のサーチ線/SLによって論理値「1」又は「0」の一方が入力されるとき、対応する第2のサーチ線SLによって他方が入力される。   During the search operation, the search line driver SD inputs the search data received from the outside to each TCAM cell CC via the first search line / SL and the second search line SL. The search data / S input to the corresponding first search line / SL and the search data S input via the second search line SL are in a complementary relationship. That is, when one of the logical values “1” or “0” is input by the first search line / SL, the other is input by the corresponding second search line SL.

出力ドライバODは、各ワード回路WCによって行われた検索データと記憶データとの一致・不一致の判定結果をTCAM100の外部へ出力する。   The output driver OD outputs the determination result of matching / mismatching between the search data and the stored data performed by each word circuit WC to the outside of the TCAM 100.

次に、TCAMセルCCの構成及び動作を詳細に説明する。   Next, the configuration and operation of the TCAM cell CC will be described in detail.

TCAMセルCCは、図5に示すように、5個のトランジスタM1〜M3、M1’、M2’と、抵抗変化型の記憶素子としての4個のMTJ素子MTJ1、MTJ2、MTJ1’、MTJ2’と、を備える、5T−4MTJ型の不揮発性連想メモリセルである。   As shown in FIG. 5, the TCAM cell CC includes five transistors M1 to M3, M1 ′, and M2 ′, and four MTJ elements MTJ1, MTJ2, MTJ1 ′, and MTJ2 ′ serving as resistance change type storage elements. These are 5T-4MTJ type nonvolatile associative memory cells.

TCAMセルCCは、比較論理回路10と、相補論理回路20と、ダイオードスイッチとして機能するトランジスタM3と、を備える。   The TCAM cell CC includes a comparison logic circuit 10, a complementary logic circuit 20, and a transistor M3 that functions as a diode switch.

比較論理回路10は、第1及び第2のトランジスタM1、M2と、抵抗変化型の記憶素子としての第1及び第2のMTJ素子MTJ1、MTJ2と、を備える。   The comparison logic circuit 10 includes first and second transistors M1 and M2 and first and second MTJ elements MTJ1 and MTJ2 as resistance change type storage elements.

トランジスタM1、M2は、第1の導電型の電界効果トランジスタである。具体的には、トランジスタM1、M2は、N型のMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)である。   The transistors M1 and M2 are first conductivity type field effect transistors. Specifically, the transistors M1 and M2 are N-type MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors).

第1のトランジスタM1のドレイン(電流路の一端)は、所定の接続点としての比較論理回路10の出力線OLに接続されている。第1のトランジスタM1のソース(電流路の他端)は、第1のMTJ素子MTJ1の固定層FIに設けられた下部電極端子BEに接続している。第1のトランジスタM1のゲート(制御端)は、第1のビット線BL1及び第1のサーチ線/SLに接続されている。   The drain of the first transistor M1 (one end of the current path) is connected to the output line OL of the comparison logic circuit 10 as a predetermined connection point. The source of the first transistor M1 (the other end of the current path) is connected to the lower electrode terminal BE provided in the fixed layer FI of the first MTJ element MTJ1. The gate (control end) of the first transistor M1 is connected to the first bit line BL1 and the first search line / SL.

第2のトランジスタM2のドレインは出力線OLに接続されている。第2のトランジスタM2のソースは、第2のMTJ素子MTJ2の固定層FIに設けられた下部電極端子BEに接続している。第2のトランジスタM2のゲートは、第2のビット線BL2及び第2のサーチ線SLに接続されている。   The drain of the second transistor M2 is connected to the output line OL. The source of the second transistor M2 is connected to the lower electrode terminal BE provided in the fixed layer FI of the second MTJ element MTJ2. The gate of the second transistor M2 is connected to the second bit line BL2 and the second search line SL.

2つのMTJ素子MTJ1、MTJ2はそれぞれ、図1に示したように、磁化の向きが固定されていないフリー層FRと、磁化の向きが固定された固定層FIと、を備え、フリー層FRの磁化の向きと固定層FIの磁化の向きとの組合せに応じて高抵抗状態と低抵抗状態とを遷移する。具体的には、フリー層FRの磁化の向きと固定層FIの向きが同じとき(平行)は低抵抗状態を、逆のとき(反平行)は高抵抗状態を、それぞれとる。   As shown in FIG. 1, each of the two MTJ elements MTJ1 and MTJ2 includes a free layer FR whose magnetization direction is not fixed and a fixed layer FI whose magnetization direction is fixed. The high resistance state and the low resistance state are transitioned according to the combination of the magnetization direction and the magnetization direction of the fixed layer FI. Specifically, when the direction of magnetization of the free layer FR and the direction of the fixed layer FI are the same (parallel), a low resistance state is taken, and when it is opposite (antiparallel), a high resistance state is taken.

第1のMTJ素子MTJ1の固定層FIに設けられた下部電極端子BEは、第1のトランジスタM1を介して出力線OLに接続されている。第1のMTJ素子MTJ1のフリー層FRに設けられた上部電極端子TEは、第2のプレート線PL2及び接地線GNDに接続されている。   The lower electrode terminal BE provided in the fixed layer FI of the first MTJ element MTJ1 is connected to the output line OL via the first transistor M1. The upper electrode terminal TE provided in the free layer FR of the first MTJ element MTJ1 is connected to the second plate line PL2 and the ground line GND.

第2のMTJ素子MTJ2の固定層FIに設けられた下部電極端子BEは、第2のトランジスタM2を介して出力線OLに接続されている。第2のMTJ素子MTJ2のフリー層FRに設けられた上部電極端子TEは、第2のプレート線PL2及び接地線GNDに接続されている。   The lower electrode terminal BE provided in the fixed layer FI of the second MTJ element MTJ2 is connected to the output line OL via the second transistor M2. The upper electrode terminal TE provided in the free layer FR of the second MTJ element MTJ2 is connected to the second plate line PL2 and the ground line GND.

相補論理回路20は、第3及び第4のトランジスタM1’、M2’と、抵抗変化型の記憶素子としての第3及び第4のMTJ素子MTJ1’、MTJ2’と、を備える。   The complementary logic circuit 20 includes third and fourth transistors M1 'and M2' and third and fourth MTJ elements MTJ1 'and MTJ2' as resistance change type storage elements.

第3及び第4のトランジスタM1’、M2’は、第1及び第2のトランジスタM1、M2とは逆の導電型の第2の導電型の電界効果トランジスタである。具体的には、第3及び第4のトランジスタM1’、M2’は、P型のMOSFETである。   The third and fourth transistors M1 'and M2' are field effect transistors of the second conductivity type having the opposite conductivity type to the first and second transistors M1 and M2. Specifically, the third and fourth transistors M1 'and M2' are P-type MOSFETs.

第3のトランジスタM1’のドレインは出力線OLに接続されている。第3のトランジスタM1’のソースは、第3のMTJ素子MTJ1’の固定層FIに設けられた下部電極端子BEに接続している。第3のトランジスタM1’のゲートは、第2のビット線BL2及び第2のサーチ線SLに接続されている。   The drain of the third transistor M1 'is connected to the output line OL. The source of the third transistor M1 'is connected to the lower electrode terminal BE provided in the fixed layer FI of the third MTJ element MTJ1'. The gate of the third transistor M1 'is connected to the second bit line BL2 and the second search line SL.

第4のトランジスタM2’のドレインは出力線OLに接続されている。第4のトランジスタM2’のソースは、第4のMTJ素子MTJ2’の固定層FIに設けられた下部電極端子BEに接続している。第4のトランジスタM2’のゲートは、第1のビット線BL1及び第1のサーチ線/SLに接続されている。   The drain of the fourth transistor M2 'is connected to the output line OL. The source of the fourth transistor M2 'is connected to the lower electrode terminal BE provided in the fixed layer FI of the fourth MTJ element MTJ2'. The gate of the fourth transistor M2 'is connected to the first bit line BL1 and the first search line / SL.

2つのMTJ素子MTJ1’、MTJ2’はそれぞれ、図1に示したように、磁化の向きが固定されていないフリー層FRと、磁化の向きが固定された固定層FIと、を備え、フリー層FRの磁化の向きと固定層FIの磁化の向きとの組合せに応じて高抵抗状態と低抵抗状態とを遷移する。具体的には、フリー層FRの磁化の向きと固定層FIの向きが同じとき(平行)は低抵抗状態を、逆のとき(反平行)は高抵抗状態を、それぞれとる。   As shown in FIG. 1, each of the two MTJ elements MTJ1 ′ and MTJ2 ′ includes a free layer FR whose magnetization direction is not fixed and a fixed layer FI whose magnetization direction is fixed. The high resistance state and the low resistance state are transitioned according to the combination of the magnetization direction of the FR and the magnetization direction of the fixed layer FI. Specifically, when the direction of magnetization of the free layer FR and the direction of the fixed layer FI are the same (parallel), a low resistance state is taken, and when it is opposite (antiparallel), a high resistance state is taken.

第3のMTJ素子MTJ1’の固定層FIに設けられた下部電極端子BEは、第3のトランジスタM1’を介して出力線OLに接続されている。第3のMTJ素子MTJ1’のフリー層FRに設けられた上部電極端子TEは、第1のプレート線PL1及び電源線VDDに接続されている。 The lower electrode terminal BE provided in the fixed layer FI of the third MTJ element MTJ1 ′ is connected to the output line OL via the third transistor M1 ′. The upper electrode terminal TE provided in the free layer FR of the third MTJ element MTJ1 ′ is connected to the first plate line PL1 and the power supply line V DD .

第4のMTJ素子MTJ2’の固定層FIに設けられた下部電極端子BEは、第3のトランジスタM2’を介して出力線OLに接続されている。第4のMTJ素子MTJ2’のフリー層FRに設けられた上部電極端子TEは、第1のプレート線PL1及び電源線VDDに接続されている。 The lower electrode terminal BE provided in the fixed layer FI of the fourth MTJ element MTJ2 ′ is connected to the output line OL via the third transistor M2 ′. The upper electrode terminal TE provided in the free layer FR of the fourth MTJ element MTJ2 ′ is connected to the first plate line PL1 and the power supply line V DD .

第5のトランジスタであるトランジスタM3は、例えば、N型のMOSFETである。トランジスタM3のドレインとゲートとは共にマッチ線MLに接続されており、ソースは出力線OLに接続されている。   The transistor M3 that is the fifth transistor is, for example, an N-type MOSFET. The drain and gate of the transistor M3 are both connected to the match line ML, and the source is connected to the output line OL.

トランジスタM3は、ダイオードスイッチとして機能する。具体的には、マッチ線MLの電位、すなわちドレイン及びゲートの電位がTCAMセルCCの出力電圧VCOよりも高い場合、トランジスタM3はオン状態となり、電流が流れる。マッチ線MLの電位がTCAMセルCCの出力電圧VCO以下になると、トランジスタM3はオフ状態となり、マッチ線MLからの放電パスが遮断される。 The transistor M3 functions as a diode switch. Specifically, the potential of the match line ML, that is, when the potential of the drain and the gate is higher than the output voltage V CO of TCAM cell CC, transistor M3 is turned on, a current flows. When the potential of the match line ML is less than or equal to the output voltage V CO of TCAM cell CC, transistor M3 is turned off, the discharge path from the match line ML is cut off.

なお、TCAMセルCCにおいて、コンパクトなセル構成を実現するため、第1のサーチ線/SLは、第1のトランジスタM1のゲートに制御信号を伝達して、第1のMTJ素子MTJ1にデータを書き込む第1のビット線BL1と共有されている。具体的には、垂直方向に設けられた1つの配線が、書き込み動作時には第1のビット線BL1として機能し、検索動作時には第1のサーチ線/SLとして機能する。同様に、第2のサーチ線SLは、第2のトランジスタM2のゲートに制御信号を伝達して、第2のMTJ素子MTJ2にデータを書き込む第2のビット線BL2と共有されている。さらには、第1のプレート線PL1(書き込み動作時)と電源線VDD(検索動作時)、第2のプレート線PL2(書き込み動作時)と接地線GND(検索動作時)、がそれぞれ同じ配線によって実現される。 In order to realize a compact cell configuration in the TCAM cell CC, the first search line / SL transmits a control signal to the gate of the first transistor M1 and writes data to the first MTJ element MTJ1. It is shared with the first bit line BL1. Specifically, one wiring provided in the vertical direction functions as the first bit line BL1 during the write operation, and functions as the first search line / SL during the search operation. Similarly, the second search line SL is shared with the second bit line BL2 that transmits a control signal to the gate of the second transistor M2 and writes data to the second MTJ element MTJ2. Furthermore, the first plate line PL1 (during write operation) and the power supply line V DD (during search operation), the second plate line PL2 (during write operation) and the ground line GND (during search operation) are the same wiring. It is realized by.

即ち、4つのトランジスタM1、M2、M1’、M2’は、書き込み動作用トランジスタと検索動作用トランジスタとのいずれとしても機能する。このような構成により、TCAMセルCCは、例えば図3(a)に示した従来のTCAMセルCC’に比べて、少ないトランジスタの数でデータの書き込みと検索とを実行することができる。   That is, the four transistors M1, M2, M1 ', and M2' function as both a write operation transistor and a search operation transistor. With such a configuration, the TCAM cell CC can perform data writing and retrieval with a smaller number of transistors than the conventional TCAM cell CC ′ shown in FIG. 3A, for example.

上述の構成を備えるTCAMセルCCの動作を詳しく説明する。まず、TCAMセルCCへのデータの書き込み動作を説明する。データは、位相選択並列書き込みと呼ばれる、ビット並列な書き込み方法を用いて、TCAMセルCCが備えるMTJ素子MTJ1、MTJ2、MTJ1’、MTJ2’に書き込まれる。   The operation of the TCAM cell CC having the above configuration will be described in detail. First, a data write operation to the TCAM cell CC will be described. Data is written to the MTJ elements MTJ1, MTJ2, MTJ1 ', and MTJ2' included in the TCAM cell CC by using a bit parallel writing method called phase selective parallel writing.

TCAMセルCCは、ワード線WLに高電圧Hが供給され、検索許可信号SEとして低電圧Lが供給されると、書き込みフェーズに移行する。図6(a)のタイミングチャートに示すように、書き込みフェーズには、「0」書き込みフェーズと、「1」書き込みフェーズと、がある。「0」書き込みフェーズと「1」書き込みフェーズとは、第1及び第2のプレート線PL1、PL2に供給される電圧信号に応じて切り替わる。   When the high voltage H is supplied to the word line WL and the low voltage L is supplied as the search permission signal SE, the TCAM cell CC shifts to the write phase. As shown in the timing chart of FIG. 6A, the write phase includes a “0” write phase and a “1” write phase. The “0” write phase and the “1” write phase are switched according to the voltage signal supplied to the first and second plate lines PL1 and PL2.

第1のプレート線PL1にはプレート線ドライバPDが備える第1のプレート線ドライバPD1によって、第2のプレート線PL2にはプレート線ドライバPDが備える第2のプレート線ドライバPD2によって、それぞれ電圧信号が供給される。第1のプレート線PL1に供給される電圧信号と第2のプレート線PL2に供給される電圧信号とは相補的な関係にある。第1のプレート線ドライバPD1は、第1のプレート線PL1に高電位と低電位とを交互に切り替えて供給し、第2のプレート線ドライバPD2は、第1のプレート線ドライバPD1が第1のプレート線PL1に高電位を供給しているときは第2のプレート線PL2に低電位を供給し、第1のプレート線ドライバPD1が第1のプレート線PL1に低電位を供給しているときは第2のプレート線PL2に高電位を供給するように、第2のプレート線PL2に高電位と低電位とを交互に切り替えて供給する。すなわち、高電位H及び低電位Lの一方が第1のプレート線PL1に供給されるとき、他方が第2のプレート線PL2に供給される。   The first plate line PL1 is supplied with a voltage signal by the first plate line driver PD1 provided in the plate line driver PD, and the second plate line PL2 is supplied with a voltage signal by the second plate line driver PD2 provided in the plate line driver PD. Supplied. The voltage signal supplied to the first plate line PL1 and the voltage signal supplied to the second plate line PL2 are in a complementary relationship. The first plate line driver PD1 alternately supplies a high potential and a low potential to the first plate line PL1, and the second plate line driver PD2 supplies the first plate line driver PD1 to the first plate line driver PD1. When a high potential is supplied to the plate line PL1, a low potential is supplied to the second plate line PL2, and when the first plate line driver PD1 is supplying a low potential to the first plate line PL1, In order to supply a high potential to the second plate line PL2, a high potential and a low potential are alternately switched and supplied to the second plate line PL2. That is, when one of the high potential H and the low potential L is supplied to the first plate line PL1, the other is supplied to the second plate line PL2.

「0」書き込みフェーズは、第1のプレート線PL1に低電位Lが、第2のプレート線PL2に高電位Hが供給されている状態である。「1」書き込みフェーズは、第1のプレート線PL1に高電位Hが、第2のプレート線PL2に低電位Lが供給されている状態である。   The “0” write phase is a state in which the low potential L is supplied to the first plate line PL1 and the high potential H is supplied to the second plate line PL2. The “1” write phase is a state in which the high potential H is supplied to the first plate line PL1 and the low potential L is supplied to the second plate line PL2.

第1のMTJ素子MTJ1に「0」を、第3のMTJ素子MTJ1’に「1」を書き込む際には、図6(a)に示すように、「0」書き込みフェーズにおいて、第1のビット線BL1に高電位Hを、第2のビット線BL2には低電位Lを、供給する。すると、図6(b)に示すように、第1のトランジスタM1及び第3のトランジスタM1’がオン状態になる。一方、第2のトランジスタM2及び第4のトランジスタM2’はオフ状態に維持される。「0」書き込みフェーズにおいては、第1のプレート線PL1に低電位Lが、第2のプレート線PL2に高電位Hが供給されているため、TCAMセルCCに、図6(b)に示す書き込み電流Iw1が流れる。   When writing “0” to the first MTJ element MTJ1 and “1” to the third MTJ element MTJ1 ′, as shown in FIG. 6A, in the “0” write phase, the first bit A high potential H is supplied to the line BL1, and a low potential L is supplied to the second bit line BL2. Then, as shown in FIG. 6B, the first transistor M1 and the third transistor M1 'are turned on. On the other hand, the second transistor M2 and the fourth transistor M2 'are kept off. In the “0” write phase, since the low potential L is supplied to the first plate line PL1 and the high potential H is supplied to the second plate line PL2, the write shown in FIG. 6B is performed in the TCAM cell CC. A current Iw1 flows.

書き込み電流Iw1は、第1のMTJ素子MTJ1の中でフリー層FRから固定層FIへ向かって、第3のMTJ素子MTJ1’の中で固定層FIからフリー層FRへ向かって流れる。この結果、第1のMTJ素子MTJ1は低抵抗状態に、第3のMTJ素子MTJ1’は高抵抗状態に、それぞれ遷移する。このようにして、第1のMTJ素子MTJ1には低抵抗状態と対応付けられた論理値「0」が、第3のMTJ素子MTJ1’には高抵抗状態に対応付けられた論理値「1」が、それぞれ書き込まれる。   The write current Iw1 flows from the free layer FR to the fixed layer FI in the first MTJ element MTJ1, and from the fixed layer FI to the free layer FR in the third MTJ element MTJ1 '. As a result, the first MTJ element MTJ1 transitions to the low resistance state, and the third MTJ element MTJ1 'transitions to the high resistance state. In this way, the logical value “0” associated with the low resistance state is associated with the first MTJ element MTJ1, and the logical value “1” associated with the high resistance state is associated with the third MTJ element MTJ1 ′. Are written respectively.

一方、第2のMTJ素子MTJ2に「0」を、第4のMTJ素子MTJ2’に「1」を書き込む際には、図6(a)に示すように、「0」書き込みフェーズにおいて、第1のビット線BL1に低電位Lを、第2のビット線BL2には高電位Hを、それぞれ供給する。すると、第2のトランジスタM2及び第4のトランジスタM2’がオン状態になる。一方、第1及び第3のトランジスタM1、M1’は、オフ状態に維持される。「0」書き込みフェーズにおいては、第1のプレート線PL1に低電位Lが、第2のプレート線PL2には高電位Hが供給されている。このため、オン状態になった第2及び第4のトランジスタM2、M2’を通じて、第2のプレート線PL2から第1のプレート線PL1へ書き込み電流が流れる。この書き込み電流は、第2のMTJ素子MTJ2の中でフリー層FRから固定層FIへ向かって、第4のMTJ素子MTJ2’の中で固定層FIからフリー層FRへ向かって流れる。この結果、第2のMTJ素子MTJ2は低抵抗状態に、第4のMTJ素子MTJ2’は高抵抗状態に、それぞれ遷移する。すなわち、第2のMTJ素子MTJ2には「0」が、第4のMTJ素子MTJ2’には「1」が、それぞれ書き込まれる。   On the other hand, when “0” is written to the second MTJ element MTJ2 and “1” is written to the fourth MTJ element MTJ2 ′, as shown in FIG. A low potential L is supplied to the first bit line BL1, and a high potential H is supplied to the second bit line BL2. Then, the second transistor M2 and the fourth transistor M2 'are turned on. On the other hand, the first and third transistors M1 and M1 'are maintained in the off state. In the “0” write phase, the low potential L is supplied to the first plate line PL1, and the high potential H is supplied to the second plate line PL2. Therefore, a write current flows from the second plate line PL2 to the first plate line PL1 through the second and fourth transistors M2 and M2 'that are turned on. This write current flows from the free layer FR to the fixed layer FI in the second MTJ element MTJ2, and from the fixed layer FI to the free layer FR in the fourth MTJ element MTJ2 '. As a result, the second MTJ element MTJ2 transitions to the low resistance state, and the fourth MTJ element MTJ2 'transitions to the high resistance state. That is, “0” is written in the second MTJ element MTJ2, and “1” is written in the fourth MTJ element MTJ2 ′.

第1のMTJ素子MTJ1に「1」を、第3のMTJ素子MTJ1’に「0」を書き込む際には、図7(a)に示すように、「1」書き込みフェーズにおいて、第1のビット線BL1に高電位Hを、第2のビット線BL2には低電位Lを、供給する。すると、図7(b)に示すように、第1のトランジスタM1及び第3のトランジスタM1’がオン状態になる。一方、第2のトランジスタM2及び第4のトランジスタM2’はオフ状態に維持される。「1」書き込みフェーズにおいては、第1のプレート線PL1に高電位Hが、第2のプレート線PL2に低電位Lが供給されているため、TCAMセルCCに、図7(b)に示す書き込み電流Iw2が流れる。   When writing “1” into the first MTJ element MTJ1 and “0” into the third MTJ element MTJ1 ′, as shown in FIG. 7A, in the “1” write phase, the first bit A high potential H is supplied to the line BL1, and a low potential L is supplied to the second bit line BL2. Then, as shown in FIG. 7B, the first transistor M1 and the third transistor M1 'are turned on. On the other hand, the second transistor M2 and the fourth transistor M2 'are kept off. In the “1” write phase, since the high potential H is supplied to the first plate line PL1 and the low potential L is supplied to the second plate line PL2, the write shown in FIG. 7B is performed in the TCAM cell CC. Current Iw2 flows.

書き込み電流Iw2は、第1のMTJ素子MTJ1の中で固定層FIからフリー層FRへ向かって、第3のMTJ素子MTJ1’の中でフリー層FRから固定層FIへ向かって流れる。この結果、第1のMTJ素子MTJ1は高抵抗状態に、第3のMTJ素子MTJ1’は低抵抗状態に、それぞれ遷移する。すなわち、第1のMTJ素子MTJ1には「1」が、第3のMTJ素子MTJ1’には「0」が、それぞれ書き込まれる。   The write current Iw2 flows from the fixed layer FI to the free layer FR in the first MTJ element MTJ1, and from the free layer FR to the fixed layer FI in the third MTJ element MTJ1 '. As a result, the first MTJ element MTJ1 transitions to the high resistance state, and the third MTJ element MTJ1 'transitions to the low resistance state. That is, “1” is written in the first MTJ element MTJ1 and “0” is written in the third MTJ element MTJ1 ′.

一方、第2のMTJ素子MTJ2に「1」を、第4のMTJ素子MTJ2’に「0」を書き込む際には、図7(a)に示すように、「1」書き込みフェーズにおいて、第1のビット線BL1に低電位Lを、第2のビット線BL2には高電位Hを、それぞれ供給する。すると、第2及び第4のトランジスタM2、M2’がオン状態になる。一方、第1及び第3のトランジスタM1、M1’は、オフ状態に維持される。「1」書き込みフェーズにおいては、第1のプレート線PL1に高電位Hが、第2のプレート線PL2には低電位Lが供給されている。このため、オン状態になった第2及び第4のトランジスタM2、M2’を通じて、第1のプレート線PL1から第2のプレート線PL2へ書き込み電流が流れる。この書き込み電流は、第2のMTJ素子MTJ2の中で固定層FIからフリー層FRへ向かって、第4のMTJ素子MTJ2’の中でフリー層FRから固定層FIへ向かって流れる。この結果、第2のMTJ素子MTJ2は高抵抗状態に、第4のMTJ素子MTJ2’は低抵抗状態に、それぞれ遷移する。すなわち、第2のMTJ素子MTJ2には「1」が、第4のMTJ素子MTJ2’には「0」が、それぞれ書き込まれる。   On the other hand, when writing “1” to the second MTJ element MTJ2 and “0” to the fourth MTJ element MTJ2 ′, as shown in FIG. A low potential L is supplied to the first bit line BL1, and a high potential H is supplied to the second bit line BL2. Then, the second and fourth transistors M2 and M2 'are turned on. On the other hand, the first and third transistors M1 and M1 'are maintained in the off state. In the “1” write phase, a high potential H is supplied to the first plate line PL1, and a low potential L is supplied to the second plate line PL2. Therefore, a write current flows from the first plate line PL1 to the second plate line PL2 through the second and fourth transistors M2 and M2 'that are turned on. This write current flows from the fixed layer FI to the free layer FR in the second MTJ element MTJ2, and from the free layer FR to the fixed layer FI in the fourth MTJ element MTJ2 '. As a result, the second MTJ element MTJ2 transitions to the high resistance state, and the fourth MTJ element MTJ2 'transitions to the low resistance state. That is, “1” is written in the second MTJ element MTJ2, and “0” is written in the fourth MTJ element MTJ2 ′.

以上説明したように、位相選択並列書き込みでは、書き込みを所望するデータ(「0」又は「1」)に対応する書き込みフェーズにおいて第1及び第2のビット線BL1、BL2を選択することによってMTJ素子にデータを書き込む。第1及び第3のMTJ素子MTJ1、MTJ1’に書き込みを所望する場合には第1のビット線BL1を選択する。第2及び第4のMTJ素子MTJ2、MTJ2’に書き込みを所望する場合には第2のビット線BL2を選択する。   As described above, in the phase selective parallel writing, the MTJ element is selected by selecting the first and second bit lines BL1 and BL2 in the write phase corresponding to the data (“0” or “1”) desired to be written. Write data to. When writing is desired for the first and third MTJ elements MTJ1 and MTJ1 ', the first bit line BL1 is selected. When writing to the second and fourth MTJ elements MTJ2 and MTJ2 'is desired, the second bit line BL2 is selected.

第1のMTJ素子MTJ1が記憶するデータb1と、第3のMTJ素子MTJ1’が記憶するデータと、は相補的な関係にある。すなわち、「0」又は「1」の一方が第1のMTJ素子MTJ1に記憶されるとき、他方が第3のMTJ素子MTJ1’に記憶される。同様に、第2のMTJ素子MTJ2が記憶するデータb2と、第4のMTJ素子MTJ2’が記憶するデータと、は相補的な関係にある。   The data b1 stored in the first MTJ element MTJ1 and the data stored in the third MTJ element MTJ1 'are in a complementary relationship. That is, when one of “0” or “1” is stored in the first MTJ element MTJ1, the other is stored in the third MTJ element MTJ1 ′. Similarly, the data b2 stored in the second MTJ element MTJ2 and the data stored in the fourth MTJ element MTJ2 'are in a complementary relationship.

以上説明したとおり、TCAMセルCCは、b1とb2の2ビットの2値データを記憶することができる。TCAMセルCCは、「0」、「1」、「X(Don’t−care)」の3つの記憶状態を有する。これら3つの記憶状態は、図8の真理値表に示すように、b1とb2の2ビットの2値データ(1,0)、(0,1)、(1,1)としてそれぞれ表される。なお、図8の真理値表において、BはTCAMセルCCの記憶状態を、Sは第2のサーチ線SLを介して入力される検索データを、MLはマッチ線MLの出力を、それぞれ表す。   As described above, the TCAM cell CC can store 2-bit binary data of b1 and b2. The TCAM cell CC has three storage states of “0”, “1”, and “X (Don't-care)”. These three storage states are represented as 2-bit binary data (1, 0), (0, 1), (1, 1) of b1 and b2, respectively, as shown in the truth table of FIG. . In the truth table of FIG. 8, B represents the storage state of the TCAM cell CC, S represents the search data input via the second search line SL, and ML represents the output of the match line ML.

TCAMセルCCにおける一致・不一致の判定の結果を示すマッチ線MLの電位は、TCAMセルCCの抵抗値によって決定される。
記憶データと検索データとが一致している場合(例えば、記憶状態B=0のTCAMセルCCに対して検索データS=0が入力された場合や、記憶状態B=1のTCAMセルCCに対して検索データS=1が入力された場合)、マッチ線MLの電位は高出力電圧VCO−Hになる。また、TCAMセルCCが「X」を記憶している場合も同様に、記憶データと検索データが一致していると見なされ、マッチ線MLの電位は高出力電圧VCO−Hになる。これらの場合、図8の真理値表では「HIT」と表される。
一方、記憶データと検索データとが不一致の場合(例えば、記憶状態B=0のTCAMセルCCに対して検索データS=1が入力された場合や、記憶状態B=1のTCAMセルCCに対して検索データS=0が入力された場合)、マッチ線MLの電位は低出力電圧VCO−Mになる。この場合、図8の真理値表では「MISS」と表される。
より一般的には、記憶データ(b1,b2)が記憶されているTCAMセルCCに対して第2のサーチ線SLを介して検索データSが入力された場合のマッチ線MLの論理レベルは、ML=/S・b1+S・b2と定められる。
The potential of the match line ML indicating the result of the match / mismatch determination in the TCAM cell CC is determined by the resistance value of the TCAM cell CC.
When the stored data and the search data match (for example, when search data S = 0 is input to the TCAM cell CC in the storage state B = 0, or to the TCAM cell CC in the storage state B = 1) When the search data S = 1 is input), the potential of the match line ML becomes the high output voltage VCO-H . Similarly, when the TCAM cell CC stores “X”, the stored data and the search data are considered to match, and the potential of the match line ML becomes the high output voltage V CO-H . In these cases, “HIT” is represented in the truth table of FIG.
On the other hand, when the storage data and the search data do not match (for example, when search data S = 1 is input to the TCAM cell CC in the storage state B = 0, or to the TCAM cell CC in the storage state B = 1) When the search data S = 0 is input), the potential of the match line ML becomes the low output voltage V CO-M . In this case, “MISS” is represented in the truth table of FIG.
More generally, the logic level of the match line ML when the search data S is input to the TCAM cell CC in which the storage data (b1, b2) is stored via the second search line SL is: ML = / S · b1 + S · b2.

次に、TCAMセルCCの検索動作を説明する。第1及び第2のプレート線ドライバPD1、PD2は、ワード線WLに低電圧Lが供給され、検索許可信号SEとして高電圧Hが供給されると、検索フェーズに移行する。検索フェーズでは、第1及び第2のプレート線ドライバPD1、PD2は、それぞれ第1及び第2のプレート線PL1、PL2を、電源線VDD及び接地線GNDとして機能させる。 Next, a search operation for the TCAM cell CC will be described. The first and second plate line drivers PD1 and PD2 shift to the search phase when the low voltage L is supplied to the word line WL and the high voltage H is supplied as the search permission signal SE. In the search phase, the first and second plate line drivers PD1 and PD2 cause the first and second plate lines PL1 and PL2 to function as the power supply line VDD and the ground line GND, respectively.

検索動作時には、まず、マッチ線MLが電源電圧までプリチャージされる。その後、第1及び第2のサーチ線SL及び/SLを介してデータを入力する。第2のサーチ線SLに入力される検索データSと、第1のサーチ線/SLに入力されるデータと、は相補的な関係にある。第2のサーチ線SL又は第1のサーチ線/SLを選択することで、第1及び第3のトランジスタM1、M1’又は第2及び第4のトランジスタM2、M2’がオン状態になる。これにより、比較論理回路10及び相補論理回路20の電流パスが選択され、マッチ線MLの電荷が接地線GNDへ放電されて入力データと記憶データとの一致・不一致の判定が行われる。   In the search operation, first, the match line ML is precharged to the power supply voltage. Thereafter, data is input via the first and second search lines SL and / SL. The search data S input to the second search line SL and the data input to the first search line / SL are in a complementary relationship. By selecting the second search line SL or the first search line / SL, the first and third transistors M1, M1 'or the second and fourth transistors M2, M2' are turned on. As a result, the current paths of the comparison logic circuit 10 and the complementary logic circuit 20 are selected, the charge of the match line ML is discharged to the ground line GND, and the match / mismatch determination between the input data and the stored data is performed.

マッチ線MLの放電は、ダイオードスイッチとして機能するトランジスタM3によって制御される。マッチ線MLの電位がTCAMセルCCの出力電圧VCOよりも高い場合、トランジスタM3はオン状態となり、マッチ線MLの電荷は接地線GNDへと放電される。マッチ線MLの電位がVCO以下になると、トランジスタM3はオフ状態となり、マッチ線MLの電荷の放電は遮断される。このため、検索動作時の最初に電源電圧にプリチャージされていたマッチ線MLの電位は、記憶データと入力データが一致している場合(HIT)は高出力電圧VCO−Hにまで、記憶データと入力データが不一致の場合(MISS)は低出力電圧VCO−Mにまで、それぞれ放電される。したがって、マッチ線MLの電位を検出することにより、各TCAMセルCCにおける一致・不一致の判定の結果を取得することができる。 The discharge of the match line ML is controlled by the transistor M3 that functions as a diode switch. If the potential of the match line ML is higher than the output voltage V CO of TCAM cell CC, transistor M3 is turned on, the charge of the match line ML is discharged to the ground line GND. When the potential of the match line ML is below V CO, transistor M3 is turned off, discharging of the match line ML is cut off. For this reason, the potential of the match line ML precharged to the power supply voltage at the time of the search operation is stored up to the high output voltage V CO-H when the stored data matches the input data (HIT). When the data and the input data do not match (MISS), each is discharged to the low output voltage V CO-M . Therefore, by detecting the potential of the match line ML, it is possible to obtain the result of the match / mismatch determination in each TCAM cell CC.

また、共通のマッチ線MLに接続された複数のTCAMセルCCで構成されるTCAMワード回路における記憶データと入力データの一致・不一致の判定の結果も、マッチ線MLの電位を検出することにより取得できる。ワード回路に、記憶データと入力データとが不一致のTCAMセルCCが1つでも含まれている場合(MISS)、当該TCAMセルCCを通じてマッチ線MLの電荷は低出力電圧VCO−Mまで放電される。ワード回路の全てのTCAMセルCCにおいて記憶データと入力データとが一致している場合(HIT)、マッチ線MLの電荷は高出力電圧VCO−Hまで放電される。 Further, the result of determination of coincidence / mismatch between the stored data and the input data in the TCAM word circuit composed of a plurality of TCAM cells CC connected to the common match line ML is also obtained by detecting the potential of the match line ML. it can. When the word circuit includes at least one TCAM cell CC in which stored data and input data do not match (MISS), the charge on the match line ML is discharged to the low output voltage V CO-M through the TCAM cell CC. The When the stored data and the input data match in all TCAM cells CC of the word circuit (HIT), the charge on the match line ML is discharged to the high output voltage VCO-H .

TCAMセルCCにおいて記憶データと入力データとが一致した場合の出力電圧VCOである高出力電圧VCO−Hは、図9に示すように、電流曲線IHITとこの電流曲線と相補的な負荷電流曲線IHIT’との交点によって決定される。一方、TCAMセルCCにおいて記憶データと入力データとが不一致の場合の出力電圧VCOである低出力電圧VCO−Mは、図9に示すように、電流曲線IMISSとこの電流曲線と相補的な負荷電流曲線IMISS’との交点によって決定される。TCAMセルCCの出力電圧振幅ΔVCO、すなわち高出力電圧VCO−Hと低出力電圧VCO−Mとの差は、図3(b)に示す従来のTCAMセルCC’の出力電圧振幅ΔVCOに比べて増大している。 As shown in FIG. 9, the high output voltage V CO-H that is the output voltage V CO when the stored data and the input data match in the TCAM cell CC is a load that is complementary to the current curve I HIT and this current curve. Determined by the intersection with the current curve I HIT '. On the other hand, the low output voltage V CO-M , which is the output voltage V CO when the stored data and the input data do not match in the TCAM cell CC, is complementary to the current curve I MISS and the current curve as shown in FIG. Determined by the intersection with the load current curve I MISS '. The output voltage amplitude ΔV CO of the TCAM cell CC, that is, the difference between the high output voltage V CO-H and the low output voltage V CO-M is the same as the output voltage amplitude ΔV CO of the conventional TCAM cell CC ′ shown in FIG. Compared to

図3(a)に示した非特許文献2のTCAMセルCC’においては、N型の電界効果トランジスタとMTJ素子との組み合わせからなる比較論理回路10に対して、固定負荷LOを負荷として動作させた。これに対して、本実施形態に係るTCAMセルCCでは、比較論理回路10に対して、P型の電界効果トランジスタと反転データが書き込まれたMTJ素子とで構成された相補論理に基づく相補論理回路20を負荷として動作させる。この結果、本実施形態に係るTCAMセルは、出力電圧振幅ΔVCOを大きくし(動作マージンを向上させ)、デバイス特性による抵抗値の素子間におけるばらつきを抑えることができる。TCAMセルCC及びワード回路WCにおける出力電圧振幅ΔVCOが大幅に増大することで、センスアンプでの比較演算結果の判定が容易になると共に、検索動作のエラー率(誤判定率)を低減することができる。 In the TCAM cell CC ′ of Non-Patent Document 2 shown in FIG. 3A, the comparison logic circuit 10 composed of a combination of an N-type field effect transistor and an MTJ element is operated with a fixed load LO as a load. It was. On the other hand, in the TCAM cell CC according to the present embodiment, a complementary logic circuit based on complementary logic configured by a P-type field effect transistor and an MTJ element in which inverted data is written is provided for the comparison logic circuit 10. 20 is operated as a load. As a result, TCAM cell according to the present embodiment, the output voltage amplitude [Delta] V CO was significantly (improving the operation margin), it is possible to suppress the variation among elements of the resistance value due to the device characteristics. Since the output voltage amplitude ΔV CO in the TCAM cell CC and the word circuit WC is greatly increased, it is possible to easily determine the comparison operation result in the sense amplifier and to reduce the error rate (false determination rate) of the search operation. it can.

これは、チップ製造時に不良ワード回路を置換するために設けられる冗長のワード回路WCの数を削減することができるため、チップ面積のコンパクト化につながる。さらには、十分なマッチ線出力電圧振幅を確保できるため、センスアンプSAを高感度にする必要はなく、簡易なセンスアンプを用いることで更にチップ面積をコンパクト化することができる。   This can reduce the number of redundant word circuits WC provided to replace defective word circuits during chip manufacture, leading to a reduction in chip area. Furthermore, since a sufficient match line output voltage amplitude can be ensured, the sense amplifier SA does not need to be highly sensitive, and the chip area can be further reduced by using a simple sense amplifier.

また、本実施形態に係るTCAMセルCCは、書き込み専用のアクセストランジスタを排除し、書き込み動作用トランジスタと検索動作用トランジスタとを共有化することで、従来のTCAMセルCC’に比べて素子数を削減したコンパクトな構成を有する。さらには、本実施形態に係るワード回路WCは、2つのプレート線ドライバPD1、PD2により交互に繰り返される「0」書き込みフェーズと「1」書き込みフェーズとにおいて、ビット線BL1、BL2を書き込みデータのフェーズ選択に用いることで、複数のTCAMセルに対してビット並列に書き込みできる。書き込み専用のアクセストランジスタを用いなくともビット並列書き込みが可能であるため、大容量のデータを高速に書き込むことが可能となる。すなわち、本実施形態に係るTCAMセルCCは、コンパクト性を保ちながら、検索動作の高信頼化と書き込み動作の高速化を実現している。   In addition, the TCAM cell CC according to the present embodiment eliminates the write-only access transistor and shares the write operation transistor and the search operation transistor, thereby reducing the number of elements compared to the conventional TCAM cell CC ′. Has a reduced compact configuration. Furthermore, the word circuit WC according to the present embodiment uses the bit lines BL1 and BL2 as the write data phase in the “0” write phase and the “1” write phase that are alternately repeated by the two plate line drivers PD1 and PD2. By using it for selection, data can be written in bit parallel to a plurality of TCAM cells. Since bit-parallel writing is possible without using a write-only access transistor, large-capacity data can be written at high speed. That is, the TCAM cell CC according to the present embodiment achieves high reliability of the search operation and high speed of the write operation while maintaining compactness.

(評価)
次に、実施形態に係る不揮発性TCAMセルの検索動作時における検出マージン及びエラー率の評価結果について説明する。
(Evaluation)
Next, the evaluation results of the detection margin and the error rate during the search operation of the nonvolatile TCAM cell according to the embodiment will be described.

図3(a)に示した従来の6T−2MTJ型のTCAMセルCC’と、図5に示した実施形態に係る5T−4MTJ型のTCAMセルCCと、をそれぞれ用いて72ビットの不揮発性TCAMワード回路を設計した。   A 72-bit nonvolatile TCAM using the conventional 6T-2MTJ type TCAM cell CC ′ shown in FIG. 3A and the 5T-4MTJ type TCAM cell CC according to the embodiment shown in FIG. A word circuit was designed.

設計した不揮発性TCAMワード回路を用いて、90ナノメートルのCMOS技術のもと、試行回数1000回のモンテカルロ・シミュレーションを行い、最悪の場合における
「HIT」と1ビットの「MISS]との間の検出マージン及びエラー率を評価した。
Using the designed non-volatile TCAM word circuit, a Monte Carlo simulation of 1000 trials was performed under 90 nanometer CMOS technology, and the worst case “HIT” and 1-bit “MISS” The detection margin and error rate were evaluated.

電源線VDDの電圧は1.2Vに設定し、クロック周期は5ナノ秒(200MHz)に設定した。設計したワード回路中の全てのトランジスタ及びMTJ素子の変動はランダムであると仮定した。各トランジスタの閾値電圧の標準偏差σは、90ナノメートルのCMOS技術による各トランジスタのゲート領域及びPelgrom(ペルグロム)係数に基づいて設定した。「0」状態及び「1」状態にあるMTJ素子の抵抗値は、それぞれ3.0kΩと7.5kΩに設定した。各抵抗の標準偏差σは、典型的な抵抗の標準偏差σの値である5%に設定した。 The voltage of the power supply line V DD was set to 1.2 V, and the clock cycle was set to 5 nanoseconds (200 MHz). It was assumed that the variation of all transistors and MTJ elements in the designed word circuit was random. The standard deviation σ of the threshold voltage of each transistor was set based on the gate region and the Pelgrom coefficient of each transistor using 90 nanometer CMOS technology. The resistance values of the MTJ elements in the “0” state and “1” state were set to 3.0 kΩ and 7.5 kΩ, respectively. The standard deviation σ of each resistor was set to 5%, which is the value of the standard deviation σ of a typical resistor.

図10(a)に、従来の6T−2MTJ型のTCAMセルCC’を用いたワード回路において、72ビットで並列検索動作を行った場合のシミュレーション波形を示す。上段の図は、検索ワードと記憶ワードとが一致した場合(「HIT」)と不一致の場合(「MISS」)とにおいて、マッチ線MLを流れる信号の波形を示す。中段及び下段の図は、それぞれ「HIT」及び「MISS」の場合の出力信号の波形を示す。   FIG. 10A shows a simulation waveform when a parallel search operation is performed with 72 bits in a word circuit using a conventional 6T-2MTJ type TCAM cell CC '. The upper diagram shows the waveforms of signals flowing through the match line ML when the search word and the storage word match (“HIT”) and when they do not match (“MISS”). The middle and lower diagrams show the waveforms of the output signals in the case of “HIT” and “MISS”, respectively.

上段の図において、TCAMセルCC’の出力電圧振幅ΔVCOが小さく、波形のばらつきが大きいため、「HIT」の場合の信号と「MISS」の場合の信号との間の検出マージンとして、39mVという小さな検出マージンしかないことが分かる。そのため、中段の図において「HIT」と検出すべきところを「MISS」と検出しているエラーが1回、下段の図において「MISS」と検出すべきところを「HIT」と検出しているエラーが4回、それぞれ発生した。この結果、エラー率が0.25%(=5/2000)と評価された。 In the upper figure, lower output voltage amplitude [Delta] V CO of TCAM cells CC ', for the variation of the waveform is large, as the detection margin between the signal in the case of the "HIT" signal and a "MISS" in the case of, as 39mV It can be seen that there is only a small detection margin. For this reason, in the middle diagram, the error that detects “HIS” is detected once, and in the lower diagram, the error that detects “MISS” is detected as “HIT”. Each occurred 4 times. As a result, the error rate was evaluated to be 0.25% (= 5/2000).

図10(b)に、実施形態に係る5T−4MTJ型のTCAMセルCCを用いたワード回路において、72ビットで並列検索動作を行った場合のシミュレーション波形を示す。各図の見方は図10(a)と同様である。上段の図において、相補的セル構造の効果で、検出マージンが204mVという従来よりも5.2倍大きな検出マージンが得られたことが分かる。そのため、中段及び下段の図に示すように、検出エラーは無くなった。また、マッチ線MLの電圧振幅が5.2倍と大きくなったため、評価フェーズにおける一致判定の遅れは従来のワード回路における2.1ナノ秒から1.3ナノ秒へと短縮された。   FIG. 10B shows simulation waveforms when a parallel search operation is performed with 72 bits in the word circuit using the 5T-4MTJ type TCAM cell CC according to the embodiment. Each figure is viewed in the same manner as in FIG. In the upper diagram, it can be seen that a detection margin of 5.2 times larger than the conventional detection margin of 204 mV was obtained due to the effect of the complementary cell structure. For this reason, as shown in the middle and lower figures, the detection error disappeared. In addition, since the voltage amplitude of the match line ML is increased to 5.2 times, the delay of the match determination in the evaluation phase is shortened from 2.1 nanoseconds to 1.3 nanoseconds in the conventional word circuit.

以上のように、上述した実施形態に係る5T−4MTJ型のTCAMセルCCを用いたワード回路は、従来の6T−2MTJ型のTCAMセルCC’を用いたワード回路に比べて、検出マージンを大きくして、検出エラーを削減することができることが分かった。そのため、本発明に係る不揮発性連想メモリセルによれば、上述したように、不揮発TCAMの回路動作の高信頼化とコンパクト化につながる。   As described above, the word circuit using the 5T-4MTJ type TCAM cell CC according to the above-described embodiment has a larger detection margin than the word circuit using the conventional 6T-2MTJ type TCAM cell CC ′. It was found that detection errors can be reduced. Therefore, according to the nonvolatile content addressable memory cell according to the present invention, as described above, the circuit operation of the nonvolatile TCAM is highly reliable and compact.

その他、本発明は上述した実施形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。例えば、上述した実施形態では、第1及び第2のトランジスタM1、M2はN型のMOSFETであり、第3及び第4のトランジスタM1’、M2’はP型のMOSFETであった。しかし、第1及び第2のトランジスタM1、M2がP型のMOSFETであり、第3及び第4のトランジスタM1’、M2’がN型のMOSFETであってもよい。すなわち、第1及び第2のトランジスタM1、M2と第3及び第4のトランジスタM1’、M2’とは、導電型が互いに逆であればよい。   In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and applications are possible. For example, in the above-described embodiment, the first and second transistors M1 and M2 are N-type MOSFETs, and the third and fourth transistors M1 'and M2' are P-type MOSFETs. However, the first and second transistors M1 and M2 may be P-type MOSFETs, and the third and fourth transistors M1 'and M2' may be N-type MOSFETs. That is, the first and second transistors M1 and M2 and the third and fourth transistors M1 'and M2' need only have opposite conductivity types.

また、MTJ素子の構成も任意である。すなわち、上述の実施形態では、図1(a)〜(c)に示すように、各MTJ素子のフリー層FRに上部電極端子TEを、固定層FIに下部電極端子BEを、それぞれ設けているが、これとは異なり、各MTJ素子のフリー層FRに下部電極端子BEを、固定層FIに上部電極端子TEを、それぞれ設けてもよい。即ち、4つのMTJ素子MTJ1、MTJ2、MTJ1’、MTJ2’の向きは逆であって、第1、第2のMTJ素子MTJ1、MTJ2のフリー層FR側の電極が、それぞれ第1、第2のトランジスタM1、M2のソースに接続され、第3、第4のMTJ素子MTJ1’、MTJ2’のフリー層FR側の電極が、それぞれ第3、第4のトランジスタM1’、M2’のソースに接続されてもよい。   The configuration of the MTJ element is also arbitrary. That is, in the above-described embodiment, as shown in FIGS. 1A to 1C, the upper electrode terminal TE is provided in the free layer FR of each MTJ element, and the lower electrode terminal BE is provided in the fixed layer FI. However, unlike this, the lower electrode terminal BE may be provided in the free layer FR of each MTJ element, and the upper electrode terminal TE may be provided in the fixed layer FI. That is, the directions of the four MTJ elements MTJ1, MTJ2, MTJ1 ′, and MTJ2 ′ are opposite, and the electrodes on the free layer FR side of the first and second MTJ elements MTJ1 and MTJ2 are the first and second electrodes, respectively. The electrodes on the free layer FR side of the third and fourth MTJ elements MTJ1 ′ and MTJ2 ′ are connected to the sources of the third and fourth transistors M1 ′ and M2 ′, respectively, connected to the sources of the transistors M1 and M2. May be.

また、上述した実施形態に係るTCAMセルCCは、MTJ素子の低抵抗状態に論理値「0」を、高抵抗状態に論理値「1」を、それぞれ対応付けてデータを記憶したが、低抵抗状態に論理値「1」を、高抵抗状態に論理値「0」を、それぞれ対応付けてもよい。また、本発明に係る不揮発性連想メモリセルは、MTJ素子以外の抵抗変化型の記憶素子によって構成されてもよい。   Further, the TCAM cell CC according to the above-described embodiment stores data by associating the logic value “0” with the low resistance state of the MTJ element and the logic value “1” with the high resistance state. The logic value “1” may be associated with the state, and the logic value “0” may be associated with the high resistance state. The nonvolatile content addressable memory cell according to the present invention may be configured by a resistance change type storage element other than the MTJ element.

CC、CC’ TCAMセル
MTJ1、MTJ2、MTJ1’、MTJ2’ MTJ素子
M1〜M6、M1’、M2’ トランジスタ
FR フリー層
FI 固定層
TB トンネルバリア
TE 上部電極端子
BE 下部電極端子
LO 固定負荷
WD ワード線ドライバ
SD サーチ線ドライバ
BD ビット線ドライバ
PD、PD1、PD2 プレート線ドライバ
OD 出力ドライバ
SA センスアンプ
WC ワード回路
ML マッチ線
WL ワード線
BL1、BL2 ビット線
PL1、PL2 プレート線
SL、/SL サーチ線
OL 出力線
DD 電源線
GND 接地線
10 比較論理回路
20 相補論理回路
100 TCAM
CC, CC 'TCAM cells MTJ1, MTJ2, MTJ1', MTJ2 'MTJ elements M1 to M6, M1', M2 'Transistor FR Free layer FI Fixed layer TB Tunnel barrier TE Upper electrode terminal BE Lower electrode terminal LO Fixed load WD Word line Driver SD Search line driver BD Bit line driver PD, PD1, PD2 Plate line driver OD Output driver SA Sense amplifier WC Word circuit ML Match line WL Word line BL1, BL2 Bit line PL1, PL2 Plate line SL, / SL Search line OL Output Line V DD Power supply line GND Ground line 10 Comparison logic circuit 20 Complementary logic circuit 100 TCAM

Claims (7)

一端が所定の接続点に接続され、制御端が第1のサーチ線に接続された第1のトランジスタと、
一端が前記所定の接続点に接続され、制御端が第2のサーチ線に接続された第2のトランジスタと、
一端が前記所定の接続点に接続され、制御端が前記第2のサーチ線に接続された第3のトランジスタと、
一端が前記所定の接続点に接続され、制御端が前記第1のサーチ線に接続された第4のトランジスタと、
前記第1のトランジスタの他端と第2のプレート線との間に配置された第1の抵抗変化型記憶素子と、
前記第2のトランジスタの他端と前記第2のプレート線との間に配置された第2の抵抗変化型記憶素子と、
前記第3のトランジスタの他端と第1のプレート線との間に配置された第3の抵抗変化型記憶素子と、
前記第4のトランジスタの他端と前記第1のプレート線との間に配置された第4の抵抗変化型記憶素子と、
を備えることを特徴とする不揮発性連想メモリセル。
A first transistor having one end connected to a predetermined connection point and a control end connected to a first search line;
A second transistor having one end connected to the predetermined connection point and a control end connected to a second search line;
A third transistor having one end connected to the predetermined connection point and a control end connected to the second search line;
A fourth transistor having one end connected to the predetermined connection point and a control end connected to the first search line;
A first resistance change type storage element disposed between the other end of the first transistor and a second plate line;
A second resistance change type storage element disposed between the other end of the second transistor and the second plate line;
A third resistance change type storage element disposed between the other end of the third transistor and the first plate line;
A fourth resistance change type storage element disposed between the other end of the fourth transistor and the first plate line;
A non-volatile associative memory cell comprising:
前記第1のトランジスタ及び前記第2のトランジスタは、第1の導電型の電界効果トランジスタであり、
前記第3のトランジスタ及び前記第4のトランジスタは、前記第1の導電型とは逆の導電型の第2の導電型の電界効果トランジスタである、
ことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性連想メモリセル。
The first transistor and the second transistor are first conductivity type field effect transistors,
The third transistor and the fourth transistor are field effect transistors of a second conductivity type opposite to the first conductivity type.
The nonvolatile content addressable memory cell according to claim 1.
前記第1、第2、第3、及び第4の抵抗変化型記憶素子のそれぞれは、下部電極端子と上部電極端子とを備え、
前記第1の抵抗変化型記憶素子の前記下部電極端子は、前記第1のトランジスタの前記他端に接続され、
前記第2の抵抗変化型記憶素子の前記下部電極端子は、前記第2のトランジスタの前記他端に接続され、
前記第3の抵抗変化型記憶素子の前記下部電極端子は、前記第3のトランジスタの前記他端に接続され、
前記第4の抵抗変化型記憶素子の前記下部電極端子は、前記第4のトランジスタの前記他端に接続された、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の不揮発性連想メモリセル。
Each of the first, second, third, and fourth resistance change memory elements includes a lower electrode terminal and an upper electrode terminal;
The lower electrode terminal of the first resistance change type storage element is connected to the other end of the first transistor;
The lower electrode terminal of the second resistance change type storage element is connected to the other end of the second transistor;
The lower electrode terminal of the third resistance change type storage element is connected to the other end of the third transistor;
The lower electrode terminal of the fourth resistance change type storage element is connected to the other end of the fourth transistor;
The nonvolatile associative memory cell according to claim 1 or 2.
一端が前記所定の接続点に接続され、他端と制御端とがマッチ線に接続された第5のトランジスタをさらに備えることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の不揮発性連想メモリセル。   4. The nonvolatile memory according to claim 1, further comprising a fifth transistor having one end connected to the predetermined connection point and the other end connected to a match line. Sex-associative memory cell. 前記第1のサーチ線は、前記第1のトランジスタの前記制御端に制御信号を伝達して、前記第1の抵抗変化型記憶素子にデータを書き込む第1のビット線と共有され、
前記第2のサーチ線は、前記第2のトランジスタの前記制御端に制御信号を伝達して、前記第2の抵抗変化型記憶素子にデータを書き込む第2のビット線と共有された、
ことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の不揮発性連想メモリセル。
The first search line is shared with a first bit line that transmits a control signal to the control terminal of the first transistor and writes data to the first resistance change type storage element.
The second search line is shared with a second bit line that transmits a control signal to the control terminal of the second transistor and writes data to the second resistance change storage element.
The nonvolatile content addressable memory cell according to claim 1, wherein the nonvolatile content addressable memory cell is a memory cell.
それぞれが、請求項1乃至5の何れか1項に記載の不揮発性連想メモリセルであって、前記第1のプレート線と前記第2のプレート線とを共有する複数の不揮発性連想メモリセルと、
前記第1の抵抗変化型記憶素子及び前記第2の抵抗変化型記憶素子へのデータの書き込み動作時において、前記第1のプレート線に高電位と低電位とを交互に切り替えて供給する第1のプレート線ドライバと、
前記書き込み動作時において、前記第1のプレート線ドライバが前記第1のプレート線に高電位を供給しているときは前記第2のプレート線に低電位を供給し、前記第1のプレート線ドライバが前記第1のプレート線に低電位を供給しているときは前記第2のプレート線に高電位を供給するように、前記第2のプレート線に高電位と低電位とを交互に切り替えて供給する第2のプレート線ドライバと、
を備えることを特徴とする不揮発性連想メモリ。
6. Each of the nonvolatile content addressable memory cells according to claim 1, wherein a plurality of nonvolatile content addressable memory cells share the first plate line and the second plate line. ,
The first potential is supplied by alternately switching a high potential and a low potential to the first plate line during a data write operation to the first resistance change type storage element and the second resistance change type storage element. A plate wire driver,
In the write operation, when the first plate line driver supplies a high potential to the first plate line, a low potential is supplied to the second plate line, and the first plate line driver When a low potential is supplied to the first plate line, a high potential and a low potential are alternately switched to the second plate line so that a high potential is supplied to the second plate line. A second plate line driver to supply;
A non-volatile associative memory comprising:
前記第1のプレート線ドライバは、前記第1の抵抗変化型記憶素子及び前記第2の抵抗変化型記憶素子に書き込まれたデータの検索動作時において、前記第1のプレート線を電源線として機能させ、
前記第2のプレート線ドライバは、前記検索動作時において、前記第2のプレート線を接地線として機能させる、
ことを特徴とする請求項6に記載の不揮発性連想メモリ。
The first plate line driver functions as the power line in the search operation of data written in the first resistance change type storage element and the second resistance change type storage element. Let
The second plate line driver causes the second plate line to function as a ground line during the search operation.
The nonvolatile content addressable memory according to claim 6.
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