JP6834335B2 - Non-volatile associative memory - Google Patents

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本発明は不揮発性記憶素子を利用した不揮発性連想メモリに関する。 The present invention relates to a non-volatile associative memory using a non-volatile storage element.

連想メモリ(CAM:Content Addressable Memory)は、検索データと記憶データとの比較を瞬時に行い、一致した記憶データのアドレスを出力する。一般的に、連想メモリは格子状に配置された全ての記憶データに対して完全並列の比較動作を行うため、CPU動作に比べ、より高速なデータ検索を実行できる。近年、このような連想メモリは、ネットワークの高速化、サーバーの増加、インターネットの利用者の増加に伴い、ネットワークルータやキャッシュメモリなどに利用されている。 The associative memory (CAM: Content Addressable Memory) instantly compares the search data with the stored data and outputs the address of the matched stored data. In general, since the associative memory performs a completely parallel comparison operation on all the stored data arranged in a grid pattern, it is possible to execute a data search at a higher speed than the CPU operation. In recent years, such associative memory has been used for network routers, cache memories, and the like as the speed of networks increases, the number of servers increases, and the number of Internet users increases.

連想メモリの記憶素子としては、SRAM(Static Random Access Memory)を使用した連想メモリが広く知られている。連想メモリには、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。後者は三値連想メモリ(TCAM:Ternary Content Addressable Memory)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、記憶データとして“0”が入力されても“1”が入力されても一致とみなされる。 As an associative memory storage element, an associative memory using SRAM (Static Random Access Memory) is widely known. There are known associative memories that can store two logical states "0" and "1" and those that can store three logical states "0", "1" and "X". The latter is also referred to as a three-value associative memory (TCAM: Ternary Content Addressable Memory). Here, 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 the stored data.

SRAMを使用した連想メモリは、数nsでデータ検索を実行できる。しかしながら、SRAMベースの連想メモリは、電源を遮断するとデータが失われるため、電源遮断後は動作を継続させることはできないばかりか、常時電源を通電し続けなければならなく、大きな消費電流が問題であった。この問題を解決するための1つの手法は、揮発性メモリのSRAMに代わり、不揮発性メモリに置き換えることであるが、例えば、特許文献1〜4には不揮発性メモリを組み入れた連想メモリの開示例が記されている。 The associative memory using SRAM can perform data search in a few ns. However, SRAM-based associative memory loses data when the power is cut off, so it is not possible to continue operation after the power is cut off, and the power must be kept on all the time, which causes a problem of large current consumption. there were. One method for solving this problem is to replace the SRAM of the volatile memory with a non-volatile memory. For example, Patent Documents 1 to 4 disclose an associative memory incorporating the non-volatile memory. Is written.

特許文献1は、メモリセル内には差動接続された対をなす磁気抵抗効果素子と、それに接続される書き込み回路及び検出回路が開示されている。書き込み動作は、対をなす磁気抵抗効果素子の下方に書き込み用配線が形成され、そこに電流を流すことで書き込み磁場が生成され、相補的な情報データを1回で対をなす磁気抵抗効果素子に書き込む。検索動作は、対をなす磁気抵抗効果素子が差動対型メモリとして機能し、さらに差動アンプを含み、一致検出結果をマッチラインに出力する検出回路が働く。メモリセル内は14T−2MTJの素子数を持つため、SRAMのみで構成した場合と比べて、面積的コンパクトさがやや少ない回路構成である。 Patent Document 1 discloses a pair of magnetoresistive elements that are differentially connected in a memory cell, and a write circuit and a detection circuit that are connected to the magnetoresistive sensor. In the writing operation, a writing wiring is formed below the paired magnetoresistive element, and a writing magnetic field is generated by passing a current through the wiring, and the complementary information data is paired at one time. Write to. In the search operation, the paired magnetoresistive sensor functions as a differential pair type memory, and further includes a differential amplifier, and a detection circuit that outputs a match detection result to the match line works. Since the memory cell has 14T-2MTJ elements, the circuit configuration is slightly smaller in area compactness than the case where it is configured only by SRAM.

特許文献2は、特許文献1の回路構成に近く、メモリセル内は、差動対型メモリと、それに接続される書き込み回路及び検出回路が開示されている。特許文献2は、差動対型メモリにはスピン注入型磁壁移動方式メモリと、スピン注入型磁気抵抗効果素子の両方が開示されているが、とりわけスピン注入型磁壁移動方式メモリを想定した書き込み動作と検索兼読み出し動作が記述されている。書き込み動作は書き込み配線に電流を流すことで磁壁移動を起こし、相補的な情報データを1回で書き込む。検索兼読み出し動作は、磁気移動方式メモリが差動対型メモリとして機能し、差動対型メモリからトランジスタで構成された対をなすインバータ回路へデータ転送して相補的な情報データの電位保持が図られる。さら、対をなすインバータ回路の出力を受け、一致検出結果をマッチラインに出力する検出回路が働く。上記データ転送というタイミングを要するため、メモリ機能上遅延時間を要するところがある。特許文献2の不揮発性連想メモリは、同期式メモリとして使用する場合、同期クロックに合わせてデータ転送を行うようにするとスムーズな動作が期待できるが、非同期式メモリとして使用する場合、データ転送のタイミングが遅延時間となるため、動作スピードが遅いものになる。さらに、メモリセル内は12T−2MTJの素子数を持つため、SRAMのみで構成した場合と比べて、やや面積的コンパクトさが少ない回路構成である。 Patent Document 2 is similar to the circuit configuration of Patent Document 1, and discloses a differential pair type memory and a write circuit and a detection circuit connected to the differential pair type memory in the memory cell. Patent Document 2 discloses both a spin-injected domain wall moving memory and a spin-injected magnetoresistive sensor in the differential paired memory, and in particular, a write operation assuming a spin-injected domain wall moving memory. And the search and read operation is described. In the writing operation, the magnetic wall moves by passing an electric current through the writing wiring, and complementary information data is written at one time. In the search / read operation, the magnetic transfer type memory functions as a differential pair type memory, and data is transferred from the differential pair type memory to the paired inverter circuit composed of transistors to hold the potential of complementary information data. It is planned. Furthermore, the detection circuit that receives the output of the paired inverter circuit and outputs the match detection result to the match line works. Since the timing of the above data transfer is required, a delay time may be required due to the memory function. When the non-volatile associative memory of Patent Document 2 is used as a synchronous memory, smooth operation can be expected if data transfer is performed in accordance with the synchronous clock, but when used as an asynchronous memory, the timing of data transfer is expected. Is the delay time, so the operation speed is slow. Further, since the memory cell has the number of elements of 12T-2MTJ, the circuit configuration is slightly smaller in area and compactness than the case where the memory cell is composed only of SRAM.

特許文献3は、メモリセル内は、対をなす磁気抵抗効果素子と、それに接続される書き込み回路及び検出回路が開示されている。検索兼読み出し動作時、対をなす磁気抵抗効果素子は差動対型メモリとして機能するのではなく、特許文献1、2とかなり異なる。さらに、対をなす磁気抵抗効果素子は(0、1)、(1、0)、(0、0)という3つのステート値を持つことを許可する特徴があり、書き込み動作は、一方の磁気抵抗効果素子を先に“0”または“1”を書き込み、もう一方の磁気抵抗効果素子を後に“0”または“1”を書き込むような2回のタイミングを要するはずであるが、明細書には詳細が書かれていない。特許文献3の不揮発性連想メモリは、敢えて1ビット毎のTCAMの“Don‘t care”の機能を実現するため、(0,0)という特別なステート値を設けられているが、現在広く普及している8,16、32、64ビットの中央演算処理プロセッサー(CPU)から使用する場合、1ビットに3つのステート値を持つように扱わなければならないため、やや扱い難いものとなる。メモリセル内は6T−2MTJの不揮発性TCAMセルの回路が開示され、面積的コンパクトさがとても優れており、検索も高速に動作させることができることから、理想的な回路構成である。
特許文献4は、特許文献3に改良を加えたもので、シングルエンド型センスアンプを備えている。メモリセル内は9T−2MTJの不揮発性TCAMセルの回路が開示され、トランジスタ数がやや増えたが、検索兼読み出し動作はル振幅の電圧信号として出力できるようにしたことで精度を高め、且つ、マッチラインの電荷を高速に引き抜くことができ、大幅に遅延時間を短縮させることができるようになった。
Patent Document 3 discloses a pair of magnetoresistive elements and a writing circuit and a detection circuit connected to the paired magnetoresistive sensor in the memory cell. During the search / read operation, the paired magnetoresistive sensor does not function as a differential paired memory, but is considerably different from Patent Documents 1 and 2. Further, the paired magnetoresistive sensor has a feature that allows it to have three state values (0, 1), (1, 0), and (0, 0), and the writing operation is performed by one of the magnetic resistances. It should take two timings, such as writing "0" or "1" to the effect element first and writing "0" or "1" to the other magnetoresistive sensor later. No details are written. The non-volatile associative memory of Patent Document 3 is provided with a special state value of (0,0) in order to realize the function of "Don't care" of TCAM for each bit, but it is widely used at present. When used from the 8, 16, 32, or 64-bit central processing unit (CPU), it is somewhat difficult to handle because it must be handled so that one bit has three state values. The circuit of the 6T-2MTJ non-volatile TCAM cell is disclosed in the memory cell, the area compactness is very excellent, and the search can be operated at high speed, so that the circuit configuration is ideal.
Patent Document 4 is an improvement of Patent Document 3, and includes a single-ended sense amplifier. The circuit of the 9T-2MTJ non-volatile TCAM cell was disclosed in the memory cell, and the number of transistors increased a little. However, the search / read operation can be output as a voltage signal with a large amplitude to improve the accuracy, and The charge on the match line can be extracted at high speed, and the delay time can be significantly reduced.

特表2004−525473号Special table 2004-525473 登録第5483265号Registration No. 5843265 特開2012−190530号JP 2012-190530 特開2013−200920号JP 2013-200920

従来の連想メモリは、格子状に配置する複数のメモリセルに対し、ワード方向に延伸する1本のマッチラインがNOR型接続またはNAND型接続という方法で順次繋がり、一般に、そのマッチラインは高電位にプリチャージされており、検索兼読出し動作で比較演算処理を通じて、マッチラインの電位状態は高電位をそのまま保持するか、低電位に押し下げられるかのどちらかで、一致・不一致の結果を出力してきた。
メモリセル内は、通常1ビットデータを記憶保持するためのSRAM、即ち対をなすインバータで構成されているため、対をなすインバータの相補的データを出力する2本の出力信号線があった。メモリ素子の不揮発化という技術背景から、トランジスタで構成された対をなすインバータ回路そのものが、対をなす磁気抵抗効果素子に置き換えることは至極当然であった。その一つの方法が、特許文献1,2で開示されているような差動対型メモリとして、対をなす磁気抵抗効果素子の構成であり、さらに別の方法であるが、特許文献3,4で開示されているような互いに相補的データを書き込むように対をなす磁気抵抗効果素子の構成である。
特許文献1、2の場合、対をなす磁気抵抗効果素子から、対をなすインバータにデータ転送を行う動作と遅延時間が必要であった。
特許文献3,4の場合、対をなす磁気抵抗効果素子は(0、1)、(1、0)、(0、0)という3つのステート値を持ち、特に、 “Don‘t care”を意味するステート値(0,0)を敢えて設けたことで、書き込み動作はやや複雑になる。即ち、システム中枢の中央演算処理プロセッサ(CPU)は、一方の磁気抵抗効果素子に先に“0”または“1”を書き込み、もう一方の磁気抵抗効果素子を後に“0”または“1”を書き込むような2回のタイミングを要し、さらに、1ビットデータの不揮発性記憶部に3つのステート値を書き込む必要があり、8、16、32、64ビット単位のためアクセスとは異なり不便さが生じたり、高速に書き換えることが出来ないという問題があった。メモリセル内は、2個の磁気抵抗効果素子と6個のトランジスタ数とから構成され、面積的コンパクトさは優れているが、さらに部品点数を削減できる余地もあった。
In the conventional associative memory, one match line extending in the word direction is sequentially connected to a plurality of memory cells arranged in a grid pattern by a method of NOR type connection or NAND type connection, and generally, the match line has a high potential. The match line potential state is either kept at high potential or pushed down to low potential through comparison calculation processing in the search and read operation, and the result of match / mismatch is output. It was.
Since the memory cell is usually composed of an SRAM for storing and holding 1-bit data, that is, a pair of inverters, there are two output signal lines for outputting complementary data of the paired inverters. Due to the technical background of making memory elements non-volatile, it was quite natural that the paired inverter circuits themselves composed of transistors were replaced with paired magnetoresistive elements. One method is the configuration of a pair of magnetoresistive elements as a differential paired memory as disclosed in Patent Documents 1 and 2, and another method is Patent Documents 3 and 4. It is a configuration of a magnetoresistive sensor paired so as to write complementary data to each other as disclosed in.
In the case of Patent Documents 1 and 2, the operation of transferring data from the paired magnetoresistive element to the paired inverter and the delay time are required.
In the case of Patent Documents 3 and 4, the paired magnetoresistive sensor has three state values (0, 1), (1, 0), and (0, 0), and in particular, "Don't care". By intentionally providing the meaning state value (0,0), the writing operation becomes a little complicated. That is, the central processing unit (CPU) at the center of the system writes "0" or "1" to one magnetoresistive sensor first, and writes "0" or "1" to the other magnetoresistive sensor later. It requires two timings such as writing, and it is necessary to write three state values to the non-volatile storage unit of 1-bit data, which is inconvenient unlike access because it is in units of 8, 16, 32, and 64 bits. There was a problem that it occurred and could not be rewritten at high speed. The memory cell is composed of two magnetoresistive elements and six transistors, and is excellent in area compactness, but there is room for further reduction in the number of parts.

磁気抵抗効果素子の製造の歩留りや特性バラツキに対して、予備交替用の磁気抵抗効果素子を備えることが望ましい。メモリセル内で、対をなす磁気抵抗効果素子を使用した場合、例え、1方の磁気抵抗効果素子が記憶素子として良品であっても、他方の磁気抵抗効果素子が不良であった場合、メモリセルそのものを捨てるしかなく、メモリセル内での記憶素子の救済手段が望まれる。そのため、メモリセル内は、なるべく1ビットデータの記憶を1つの磁気抵抗効果素子で担わせ、さらに予備交替として別の磁気抵抗効果素子も備えて置くことが望ましい。筆者らは磁気抵抗効果素子の製造歩留りを向上させるため、Write Endurance10E10回(書き換え耐性)を実施し、不良となる初期故障を誘発させ、予備交替の磁気抵抗効果素子で代用し、歩留り向上に努めている。 It is desirable to provide a magnetoresistive element for preliminary replacement with respect to the manufacturing yield and characteristic variation of the magnetoresistive element. When a pair of magnetoresistive sensor elements are used in a memory cell, even if one magnetoresistive sensor is a good storage element, the other magnetoresistive sensor is defective. There is no choice but to discard the cell itself, and a remedy for the storage element in the memory cell is desired. Therefore, it is desirable that one magnetoresistive sensor is used to store 1-bit data as much as possible in the memory cell, and another magnetoresistive sensor is provided as a preliminary replacement. In order to improve the manufacturing yield of the magnetoresistive sensor, the authors carried out Write Endurance10E 10 times (rewrite resistance), induced a defective initial failure, and replaced it with a preliminary replacement magnetoresistive element to improve the yield. ing.

本特許における解決すべき課題は、 不揮発性連想メモリにおけるメモリセルの高速性、面積的コンパクトさ、低消費電力性を維持しながら、メモリセル内の不揮発性記憶部の数を減らすことである。
しかし、従来技術の1本のマッチラインと且つ、対をなす不揮発性記憶部を有するという構成では、部品点数の削減には限界があった。
The problem to be solved in this patent is to reduce the number of non-volatile storage units in the memory cell while maintaining the high speed, area compactness, and low power consumption of the memory cell in the non-volatile associative memory.
However, there is a limit to the reduction in the number of parts in the configuration having one match line of the prior art and a pair of non-volatile storage units.

係る課題を解決するための手段は、以下の通りである。
(1)格子状に複数のメモリセルを備える連想メモリであって、各々の前記メモリセルは、少なくとも1つ以上の不揮発性記憶部と、書き込み回路と、読み出し回路と、比較演算回路とが一体化し、
高電位にプリチャージされた第1のマッチラインと、低電位にプリチャージされた第2のマッチラインとに接続されていることを特徴とすることで、メモリセル内の回路機能を挙げ、特に2本のマッチラインが存在することが従来技術の不揮発性連想メモリと異なる。
(2)前記メモリセルは、前記不揮発性記憶部の読み出しを行うために電流を供給する第1のスイッチ素子と、前記不揮発性記憶部へ書き込みを行うために電流を供給する第2のスイッチ素子と、前記不揮発性記憶部の電位と前記第1のマッチラインの電位との比較演算を行うために前記不揮発性記憶部と前記第1のマッチラインとの間に配置される第3のスイッチ素子と、前記不揮発性記憶部の電位と前記第2のマッチラインの電位との比較演算を行うために前記不揮発性記憶部と前記第2のマッチラインとの間に配置される第4のスイッチ素子とを含むことを特徴とする(1)に記載の不揮発性連想メモリであり、メモリセル内は4つのスイッチ素子で構成でき、部品点数の削減ができる。
(3)前記メモリセルは、前記不揮発性記憶部の一端が第1の接続点に接続されると共に前記不揮発性記憶部の他端は第2の電流通電用ビット線に接続される不揮発性記憶部と、
書き込み電流供給を制御するためのスイッチ制御電極が第2のワード線に接続された第2のスイッチ素子と、第2のスイッチ素子の一端が第1の電流通電用ビット線に接続されると共に第2のスイッチ素子の他端が第1の接続点に接続され、前記第1の電流通電用ビット線と前記第2のスイッチ素子と前記第1の接続点と前記不揮発性記憶部と前記第2の電流通電用ビット線とが直列接続された書き込み回路と、
読み出し電流供給を制御するためのスイッチ制御電極が第1のワード線に接続された第1のスイッチ素子と、第1のスイッチ素子の一端が読み出し電流の高電位側起点となる端子Vddに接続されると共に第1のスイッチ素子の他端が第1の接続点に接続され、前記高電位側起点の端子Vddと前記第1のスイッチ素子と前記第1の接続点と前記不揮発性記憶部と前記第2の電流通電用ビット線とが直列接続された読み出し回路と、
第1のマッチラインとの比較演算を制御するためのスイッチ制御電極が第1のサーチラインに接続された第3のスイッチ素子と、第3のスイッチ素子の一端が第1のマッチラインに接続されると共に第3のスイッチ素子の他端が第1の接続点に接続され、前記第1のマッチラインと前記第3のスイッチ素子と前記第1の接続点と前記不揮発性記憶部の高電位側一端とが直列接続された比較演算回路と、
第2のマッチラインとの比較演算を制御するためのスイッチ制御電極が第2のサーチラインに接続された第4のスイッチ素子と、第4のスイッチ素子の一端が第2のマッチラインに接続されると共に第4のスイッチ素子の他端が第1の接続点に接続され、前記第2のマッチラインと前記第4のスイッチ素子と前記第1の接続点と前記不揮発性記憶部の高電位側一端とが直列接続された比較演算回路とから構成されることを特徴とする(1)及び(2)に記載の不揮発性連想メモリであり、4つのスイッチ素子を制御する外部信号線の明確化と共に、1つの不揮発性記憶部の高電位側一端を用いて比較演算を可能とするため、不揮発性記憶部の削減効果がある。
(4)前記メモリセルの検索動作は、読み出し電流を供給する前記第1のスイッチ素子がONとなり、
前記第1のサーチラインが高電位状態で且つ前記第2のサーチラインが低電位状態のとき、第3のスイッチ素子はONとなり、前記不揮発性記憶部の抵抗状態と読み出し電流との積に応じた第1の電圧と、前記第1のマッチラインの高電位状態にプリチャージされた第2の電圧との比較演算が行われ、
前記第1のサーチラインが高電位状態で且つ前記第2のサーチラインが低電位状態のとき、第4のスイッチ素子はOFFとなり、前記不揮発性記憶部の抵抗状態と読み出し電流との積に応じた第1の電圧と、前記第2のマッチラインの低電位状態にプリチャージされた第3の電圧との比較演算が行われることがなく、
前記第1のサーチラインが低電位状態で且つ前記第2のサーチラインが高電位状態のとき、第3のスイッチ素子はOFFとなり、前記不揮発性記憶部の抵抗状態と読み出し電流との積に応じた第1の電圧、と前記第1のマッチラインの高電位状態にプリチャージされた第2の電圧との比較演算が行われることがなく、
前記第1のサーチラインが低電位状態で且つ前記第2のサーチラインが高電位状態のとき、第4のスイッチ素子はONとなり、前記不揮発性記憶部の抵抗状態と読み出し電流との積に応じた第1の電圧と、前記第2のマッチラインの低電位状態にプリチャージされた第2の電圧との比較演算が行われることを特徴とする(1)及び(2)に記載の不揮発性連想メモリであり、2本のサーチラインで制御された2つのスイッチ素子を通じて、2本のマッチラインの片側のみに比較演算結果を出力する機能を実現している。
(5)読み出し電流を供給するためのスイッチ制御用信号が伝達する前記第1のワード線と書き込み電流を供給するためのスイッチ制御用信号が伝達する前記第2のワード線を兼用することを特徴とする(1)から(4)に記載の不揮発性連想メモリであり、スイッチ素子を制御するワード側外部信号線の数を減らせ、スイッチ素子の数を削減できる。
(6)前記メモリセルは、前記不揮発性記憶部の一端及びセンスアンプの入力端が接続される第1の接続点を有し、さらにセンスアンプの出力端が接続される第2の接続点を有し、前記第1の接続点に一端が接続されるとともに、読み出し電流を供給するためのスイッチ制御用電極が第1のワード線に接続された第1のスイッチ素子と接続され、前記第1の接続点は前記不揮発性記憶部の抵抗状態に応じた電圧を伝搬させる信号線の機能を持ち、前記第2の接続点に一端が接続されるとともにそれぞれのスイッチ制御用電極が第1及び第2のサーチラインにそれぞれ接続された第5及び第6のスイッチ素子と、第5及び第6のスイッチ素子の他端が第1及び第2のマッチラインにそれぞれ接続され、
また、前記第1の接続点に一端が接続されるとともに、書き込み電流を供給するためのスイッチ制御用電極が第2のワード線に接続された第2のスイッチ素子と、第2のスイッチ素子の他端が第1の書き込み線に接続され、前記不揮発性記憶部の他端が第2の書き込み線に接続されることを特徴とする(1)に記載の不揮発性連想メモリであり、不揮発性記憶部の読み出し電位の信号差、即ち、高抵抗と低抵抗の電位差を大きく増幅し、検出マージンを確保し、高速に比較演算することができる。
(7)(1)から(6)に記載されている不揮発性連想メモリは、複数のnビットの領域に分けて配設されたメモリセルと、前記nビットの領域の近接に配置された“X”(Don‘t care)の値を持つメモリセルとを備えることを特徴とすることで、システム全体でバリッドビットを備えた不揮発性TCAMを得ることができる。
(8)(1)から(6)に記載されている不揮発性連想メモリは、複数のnビットの領域に分けて配設されたメモリセルと、前記nビットの領域の近接に配置された“X”(Don‘t care)の値を持つメモリセルと、パリティの計算値を持つメモリセルとを備えることを特徴とすることで、システム全体でパリティビットを備えた不揮発性TCAMが得られ、データ精度の向上が図れる。
(9)前記メモリセルは、直列接続された予備交替のための選択用スイッチ素子と不揮発性磁気記憶素子とを、少なくとも2つ以上の並列接続されている不揮発性記憶部を有し、前記メモリセルの外部制御部から引き込まれる選択信号により、1つの前記選択用スイッチ素子をON状態とし、他の前記選択用スイッチ素子をOFF状態とすることを特徴とする(1)から(6)に記載の不揮発性連想メモリであり、メモリセル内に不良メモリセルが存在しても交替が可能となり、製造歩留りの向上を図ることができる。
(10)前記メモリセルは、直列接続された予備交替のための選択用スイッチ素子と不揮発性磁気記憶素子とを、少なくとも2つ以上の並列接続されている不揮発性記憶部を有し、前記メモリセルの外部制御部から引き込まれる選択信号を入力するデコーダ回路を有し、1つの前記選択用スイッチ素子をON状態とし、他の前記選択用スイッチ素子をOFF状態とするようにデコード出力することを特徴とする(1)から(6)に記載の不揮発性連想メモリであり、メモリセル内に不良メモリセルが存在しても交替が可能となり、製造歩留りの向上を図ることができる。
(11)前記メモリセルは、直列接続された予備交替のための選択用スイッチ素子と不揮発性磁気記憶素子とを、少なくとも2つ以上の並列接続されている不揮発性記憶部を有し、前記メモリセルの外部制御部から引き込まれる選択信号を入力するヒューズ記憶する回路またはメモリ記憶する回路と、その記憶された数値をデコーダするデコード回路を有し、1つの前記選択用スイッチ素子をON状態とし、他の前記選択用スイッチ素子をOFF状態とするようにデコード出力することを特徴とする(1)から(6)に記載の不揮発性連想メモリであり、メモリセル内に不良メモリセルが存在しても交替が可能となり、製造歩留りの向上を図ることができる。
The means for solving the problem is as follows.
(1) An associative memory having a plurality of memory cells in a grid pattern, in which at least one or more non-volatile storage units, a write circuit, a read circuit, and a comparison calculation circuit are integrated in each memory cell. To
By being connected to a first matchline precharged to a high potential and a second matchline precharged to a low potential, the circuit function in the memory cell is particularly mentioned. The existence of two match lines is different from the conventional non-volatile associative memory.
(2) The memory cell has a first switch element that supplies a current for reading the non-volatile storage unit and a second switch element that supplies a current for writing to the non-volatile storage unit. And a third switch element arranged between the non-volatile storage unit and the first match line in order to perform a comparison calculation between the potential of the non-volatile storage unit and the potential of the first match line. And a fourth switch element arranged between the non-volatile storage unit and the second match line in order to perform a comparison calculation between the potential of the non-volatile storage unit and the potential of the second match line. The non-volatile associative memory according to (1), which comprises the above, can be composed of four switch elements in the memory cell, and the number of parts can be reduced.
(3) In the memory cell, one end of the non-volatile storage unit is connected to a first connection point, and the other end of the non-volatile storage unit is connected to a second current energization bit wire. Department and
A second switch element in which a switch control electrode for controlling a write current supply is connected to a second word line, and one end of the second switch element are connected to a first current energizing bit line, and a second The other end of the second switch element is connected to the first connection point, and the first current energizing bit wire, the second switch element, the first connection point, the non-volatile storage unit, and the second A writing circuit in which the current energizing bit wire of the
A switch control electrode for controlling the read current supply is connected to the first switch element connected to the first word line, and one end of the first switch element is connected to the terminal Vdd which is the starting point on the high potential side of the read current. At the same time, the other end of the first switch element is connected to the first connection point, and the terminal Vdd of the high potential side starting point, the first switch element, the first connection point, the non-volatile storage unit, and the above. A readout circuit in which a second current energizing bit wire is connected in series, and
A third switch element in which a switch control electrode for controlling a comparison operation with the first match line is connected to the first search line, and one end of the third switch element are connected to the first match line. At the same time, the other end of the third switch element is connected to the first connection point, and the first match line, the third switch element, the first connection point, and the high potential side of the non-volatile storage unit are connected. A comparison arithmetic circuit with one end connected in series,
A fourth switch element in which a switch control electrode for controlling a comparison operation with the second match line is connected to the second search line, and one end of the fourth switch element are connected to the second match line. At the same time, the other end of the fourth switch element is connected to the first connection point, and the second match line, the fourth switch element, the first connection point, and the high potential side of the non-volatile storage unit. The non-volatile associative memory according to (1) and (2), characterized in that one end is composed of a comparison arithmetic circuit connected in series, and clarification of an external signal line that controls four switch elements. At the same time, since the comparison calculation can be performed by using one end on the high potential side of one non-volatile storage unit, there is an effect of reducing the non-volatile storage unit.
(4) In the memory cell search operation, the first switch element that supplies the read current is turned on.
When the first search line is in the high potential state and the second search line is in the low potential state, the third switch element is turned on, depending on the product of the resistance state of the non-volatile storage unit and the read current. A comparison calculation is performed between the first voltage and the second voltage precharged to the high potential state of the first match line.
When the first search line is in a high potential state and the second search line is in a low potential state, the fourth switch element is turned off, depending on the product of the resistance state of the non-volatile storage unit and the read current. No comparison calculation is performed between the first voltage and the third voltage precharged to the low potential state of the second match line.
When the first search line is in the low potential state and the second search line is in the high potential state, the third switch element is turned off, depending on the product of the resistance state of the non-volatile storage unit and the read current. No comparison calculation is performed between the first voltage and the second voltage precharged to the high potential state of the first match line.
When the first search line is in the low potential state and the second search line is in the high potential state, the fourth switch element is turned on, depending on the product of the resistance state of the non-volatile storage unit and the read current. The non-volatility according to (1) and (2), wherein a comparison calculation is performed between the first voltage and the second voltage precharged in the low potential state of the second match line. It is an associative memory, and realizes a function of outputting a comparison calculation result to only one side of two match lines through two switch elements controlled by two search lines.
(5) The first word line transmitted by the switch control signal for supplying the read current and the second word line transmitted by the switch control signal for supplying the write current are used in combination. The non-volatile associative memory according to (1) to (4), wherein the number of word-side external signal lines for controlling the switch element can be reduced, and the number of switch elements can be reduced.
(6) The memory cell has a first connection point to which one end of the non-volatile storage unit and an input end of a sense amplifier are connected, and further has a second connection point to which an output end of the sense amplifier is connected. One end is connected to the first connection point, and a switch control electrode for supplying a read current is connected to a first switch element connected to the first word line, and the first The connection point has a function of a signal line that propagates a voltage according to the resistance state of the non-volatile storage unit, one end is connected to the second connection point, and the respective switch control electrodes are the first and first. The fifth and sixth switch elements connected to the second search line and the other ends of the fifth and sixth switch elements are connected to the first and second match lines, respectively.
Further, a second switch element in which one end is connected to the first connection point and a switch control electrode for supplying a write current is connected to a second word line, and a second switch element. The non-volatile associative memory according to (1), wherein the other end is connected to the first writing line and the other end of the non-volatile storage unit is connected to the second writing line. The signal difference of the read potential of the storage unit, that is, the potential difference between the high resistance and the low resistance can be greatly amplified, the detection margin can be secured, and the comparison calculation can be performed at high speed.
(7) The non-volatile associative memory described in (1) to (6) is arranged in close proximity to a memory cell divided into a plurality of n-bit areas and the n-bit area. By including a memory cell having a value of X "(Don't care), it is possible to obtain a non-volatile TCAM having a valid bit in the entire system.
(8) The non-volatile associative memory described in (1) to (6) is arranged in close proximity to a memory cell divided into a plurality of n-bit areas and the n-bit area. By including a memory cell having an X ”(Don't care) value and a memory cell having a calculated parity value, a non-volatile TCAM having a parity bit can be obtained in the entire system. Data accuracy can be improved.
(9) The memory cell has at least two or more non-volatile storage units in which a selection switch element for preliminary replacement and a non-volatile magnetic storage element connected in series are connected in parallel. 2. The method (1) to (6), wherein one of the selection switch elements is turned on and the other selection switch element is turned off by a selection signal drawn from the external control unit of the cell. This is a non-volatile associative memory of the above, and even if a defective memory cell exists in the memory cell, it can be replaced, and the manufacturing yield can be improved.
(10) The memory cell has at least two or more non-volatile storage units in which a selection switch element for preliminary replacement and a non-volatile magnetic storage element connected in series are connected in parallel. It has a decoder circuit that inputs a selection signal drawn from the external control unit of the cell, and decodes and outputs so that one selection switch element is in the ON state and the other selection switch element is in the OFF state. The non-volatile associative memory according to (1) to (6) is characterized, and even if a defective memory cell exists in the memory cell, it can be replaced, and the manufacturing yield can be improved.
(11) The memory cell has at least two or more non-volatile storage units in which a selection switch element for preliminary replacement and a non-volatile magnetic storage element connected in series are connected in parallel. It has a fuse storage circuit or a memory storage circuit for inputting a selection signal drawn from an external control unit of a cell, and a decoding circuit for decoding the stored numerical value, and one of the selection switch elements is turned on. The non-volatile associative memory according to (1) to (6), characterized in that the other selection switch element is decoded and output so as to be in the OFF state, and a defective memory cell exists in the memory cell. Can be replaced, and the manufacturing yield can be improved.

本発明によれば、不揮発性連想メモリに2本のマッチラインを備えることにより、不揮発性記憶部の数の低減が図れる。本発明の不揮発性連想メモリでは、メモリセルの高速性、低消費電力性を維持しながら、メモリセル内の不揮発性記憶部の数は最小の1つ、スイッチ素子の数は最小の4つで構成でき、大幅な面積的コンパクトさを図ることができた。
また、本発明の2本のマッチラインを備え、且つ、メモリセル内に1つの不揮発性記憶部しか持たないことにより、不揮発性連想メモリの全体サイズも大幅に縮小できるようになったが、特許文献3及び4のような3値の記憶ができない。その代わりに、本案では不揮発性連想メモリのシステム全体に、nビット毎にバリッドビットを備えることによりTCAMを実現でき、加えて、パリティビットを備えることによりデータ精度の向上も図れるようになった。
また、本発明の2本のマッチラインを備え、且つ、1ビットデータ記憶を1つの不揮発性記憶部に担わせたことにより、予備交替用の不揮発性記憶部を同一のメモリセル内に置き易くなった。その理由は交替のための繋ぎ変え配線を単純化でき、正規と予備交替用との2つ不揮発性記憶部を備えた場合でもサイズが小さくて済むためである。
According to the present invention, the number of non-volatile storage units can be reduced by providing the non-volatile associative memory with two match lines. In the non-volatile associative memory of the present invention, the number of non-volatile storage units in the memory cell is one, and the number of switch elements is four, while maintaining the high speed and low power consumption of the memory cell. It was possible to configure it, and it was possible to achieve a significant area compactness.
Further, by having two match lines of the present invention and having only one non-volatile storage unit in the memory cell, the overall size of the non-volatile associative memory can be significantly reduced. It is not possible to memorize the three values as in Documents 3 and 4. Instead, in the present proposal, TCAM can be realized by providing a valid bit for each n bits in the entire system of the non-volatile associative memory, and in addition, the data accuracy can be improved by providing the parity bit.
Further, by providing the two match lines of the present invention and having one non-volatile storage unit carry out 1-bit data storage, it is easy to place the non-volatile storage unit for preliminary replacement in the same memory cell. became. The reason is that the reconnection wiring for replacement can be simplified, and the size can be reduced even when two non-volatile storage units, one for regular replacement and the other for preliminary replacement, are provided.

トンネル型磁気抵抗効果素子と書き込み電流との関係を記した説明図Explanatory drawing showing the relationship between the tunnel-type magnetoresistive element and the write current トンネル磁気抵抗効果素子のR−Iヒステリシス曲線の説明図Explanatory drawing of RI hysteresis curve of tunnel magnetoresistive element 本発明による4T−1MTJ型不揮発性連想メモリセル4T-1MTJ type non-volatile associative memory cell according to the present invention 本発明による不揮発性TCAMの動作を示す真理値表Truth table showing the operation of the non-volatile TCAM according to the present invention 本発明による4T−1MTJ型不揮発性連想メモリセル4T-1MTJ type non-volatile associative memory cell according to the present invention 本発明による4T−1MTJ型不揮発性連想メモリセル4T-1MTJ type non-volatile associative memory cell according to the present invention 本発明によるセンスアンプを含む不揮発性連想メモリセルNon-volatile associative memory cell including sense amplifier according to the present invention 不揮発性連想メモリの全体構成Overall configuration of non-volatile associative memory マッチラインセンシング制御部/出力ドライバーの回路Matchline sensing control / output driver circuit p−ML及びとn−MLの判定回路の真理値表Truth table of judgment circuit of p-ML and n-ML 本発明に係るバリッドビットを含むTCAMの全体構成Overall configuration of the TCAM including the ballid bit according to the present invention 本発明に係るバリッドビットとパリティビットを含むTCAMの全体構成Overall configuration of TCAM including ballit bit and parity bit according to the present invention 本発明による予備交替が可能な6T−2MTJ形不揮発性連想メモリセル6T-2MTJ type non-volatile associative memory cell that can be replaced according to the present invention 本発明によるデコード回路を含む予備交替が可能な不揮発性連想メモリセルNon-volatile associative memory cell capable of preliminary alternation including decoding circuit according to the present invention 本発明によるヒューズ/メモリ及びデコード回路を含む予備交替が可能な不揮発性連想メモリセルPre-replaceable non-volatile content addressable memory cells including fuse / memory and decoding circuits according to the present invention

本発明の不揮発性連想メモリに用いる磁気抵抗効果素子10の構造を図1の(a)及び(b)に、磁気抵抗効果素子10の回路表記を(c)に示す。磁気抵抗効果素子10は、磁化自由層11、磁化固定層13と呼ばれる2つの磁性体層とその間に挟まれる非磁性層12によって構成され、磁化自由層11と磁化固定層13の互いの磁化方向が平行のとき、磁気抵抗効果素子の電気抵抗は低くなり(Rp:平行時の抵抗値)、磁化方向が反平行のとき、磁気抵抗効果素子の電気抵抗は高くなる(Rap:反平行時の抵抗値)。これらの抵抗状態は電源を切っても保持されるため、不揮発のデータ記憶が可能となる。磁気抵抗効果素子は他の不揮発性記憶素子と比較して、高い書き換え耐性、低電力書き込み、CMOSプロセスとの親和性、高速書き換え性に優れた特長を持っており、非常に有用である。磁気抵抗効果素子10へのデータの書き込みは素子に一定以上の電流を流すことで磁化自由層11の磁化反転を生じさせるスピン注入型磁化反転現象により行われる。磁気抵抗効果素子10の磁化自由層11から磁化固定層13へ電流を流すことで、磁化自由層10の磁化方向は磁化固定層13と平行(Rp)となり、逆に電流を磁化固定層13から磁化自由層11に流すことで、磁化自由層11の磁化方向は磁化固定層13と反平行(Rap)となる。(c)における磁気抵抗効果素子10のを回路表記では、上側が磁化自由層11、下側が磁化固定層13であり、電流を流す向きを従い、磁化反転の現象が生じる。例えば、上向きの電流IPtoAPに通電すると磁化自由層11の磁化状態は平行状態から反平行状態に遷移し、下向きの電流IAPtoPに通電すると磁化自由層11の磁化状態は反平行状態から平行状態に遷移する。尚、図1では磁化自由層11及び磁化固定層13は、膜面に対してほぼ法線方向に磁化される垂直磁化方式の磁気抵抗効果素子(Parpendicular Magneto−resistive)を描いているが、面内磁化方式の磁気抵抗効果素子(In−plane Magneto−resistive)でも同様に構成できる。 The structure of the magnetoresistive sensor 10 used in the non-volatile associative memory of the present invention is shown in FIGS. 1A and 1B, and the circuit notation of the magnetoresistive sensor 10 is shown in FIG. The magnetic resistance effect element 10 is composed of two magnetic material layers called a free magnetizing layer 11 and a fixed magnetizing layer 13 and a non-magnetic layer 12 sandwiched between them, and the free magnetizing layer 11 and the fixed magnetizing layer 13 are magnetized in different directions. When are parallel, the electric resistance of the magnetic resistance effect element is low (Rp: resistance value when parallel), and when the magnetization directions are antiparallel, the electric resistance of the magnetic resistance effect element is high (Rap: when antiparallel). Resistance values). Since these resistance states are maintained even when the power is turned off, non-volatile data storage becomes possible. Compared with other non-volatile memory elements, the magnetoresistive sensor has features of high rewrite resistance, low power writing, compatibility with CMOS processes, and high-speed rewriting, and is extremely useful. Data is written to the magnetoresistive sensor 10 by a spin injection type magnetization reversal phenomenon that causes magnetization reversal of the magnetization free layer 11 by passing a current of a certain value or more through the element. By passing a current from the magnetizing free layer 11 of the magnetic resistance effect element 10 to the magnetization fixing layer 13, the magnetization direction of the magnetizing free layer 10 becomes parallel (Rp) to the magnetization fixing layer 13, and conversely, the current is transmitted from the magnetization fixing layer 13. By flowing the current through the magnetizing free layer 11, the magnetization direction of the magnetizing free layer 11 becomes antiparallel (Rap) with the magnetizing fixed layer 13. In the circuit notation of the magnetoresistive sensor 10 in (c), the upper side is the magnetization free layer 11 and the lower side is the magnetization fixed layer 13, and the phenomenon of magnetization reversal occurs according to the direction in which the current flows. For example, when the upward current IPtoAP is energized, the magnetization state of the magnetization free layer 11 changes from the parallel state to the antiparallel state, and when the downward current IAPtoP is energized, the magnetization state of the magnetization free layer 11 changes from the antiparallel state to the parallel state. To do. In FIG. 1, the magnetized free layer 11 and the magnetized fixed layer 13 depict a magneto-resistive magnetic resistance effect element (Parpendicular Magneto-reactive) of a vertical magnetization type that is magnetized substantially in the normal direction with respect to the film surface. An internal magnetization type magnetoresistive element (In-plane Magneto-resistive) can be similarly configured.

図2は、磁気抵抗効果素子のR−Iヒステリシス曲線を示す。磁気抵抗効果素子10の磁化状態が平行となるときの低抵抗値(Rp)を論理値“0”として、磁化状態が反平行となるときの高抵抗値(Rap)を論理値“1”としている。R−Iヒステリシス曲線の近くに描かれた矢印は、磁気抵抗効果素子10に書き込み電流を印加し、記憶メモリの様子を示している。不揮発性記憶メモリの機能として、電流を切っても記憶保持する様子は、図2のX軸上のCurrent=0(ゼロ)となったとこに、低抵抗状態(Rp)の論理値“0”と、高抵抗状態(Rap)の論理値“1”の2つのステータスが存在することを表している。さらに、記憶メモリの書き換え動作に関して、仮に“1”を書き込むとき、矢印のWrite“1”を通り、低抵抗状態(Rp)の論理値“0”から高抵抗状態(Rap)の論理値“1”へと遷移し、仮に“0”を書き込むとき、矢印のWrite“0”を通り、高抵抗状態(Rap)の論理値“1”から低抵抗状態(Rp)の論理値“0”へと遷移する磁化反転を示している。 FIG. 2 shows the RI hysteresis curve of the magnetoresistive sensor. The low resistance value (Rp) when the magnetization states of the magnetoresistive sensor 10 are parallel is set to the logical value "0", and the high resistance value (Rap) when the magnetization states are antiparallel is set to the logical value "1". There is. The arrow drawn near the RI hysteresis curve shows the state of the storage memory by applying a write current to the magnetoresistive element 10. As a function of the non-volatile storage memory, the state of storing and retaining the memory even when the current is cut is that the logical value “0” in the low resistance state (Rp) is obtained when Current = 0 (zero) on the X axis in FIG. And, it means that there are two statuses of the logical value "1" in the high resistance state (Rap). Further, regarding the rewriting operation of the storage memory, when "1" is written, it passes through the write "1" of the arrow, and the logical value "0" in the low resistance state (Rp) to the logical value "1" in the high resistance state (Rap). When writing "0", it passes through the write "0" of the arrow and changes from the logical value "1" in the high resistance state (Rap) to the logical value "0" in the low resistance state (Rp). It shows the transitional magnetization reversal.

図3は、本発明に係る4T−1M型不揮発性連想メモリセル15を、(a)〜(d)に分けて示す。図3の(a)はメモリセルの基本回路を表わしているが、その特徴は、メモリセル内に記憶部となる磁気抵抗効果素子Rを1つ備え、一致検出結果を出力する2本のマッチライン、即ち信号線p−ML、n−MLを有し、それぞれワード方向に延び、さらにマッチラインの信号線p−MLは高電位にプリチャージされているのに対し、マッチラインの信号線n−MLは低電位にプリチャージされている。
従来例として、特許文献1、2では差動対型メモリとして磁気抵抗効果素子を2つ持ち、同様に特許文献3、4では相補的なデータを書き込むため磁気抵抗効果素子を2つ持つことが開示されている。また、特許文献1、2、3、4では一致検出結果を出力するマッチラインは1本であり、ワード方向に延び、高電位にプリチャージされている。
本発明の不揮発性連想メモリセルと従来例との違いは顕著である。
FIG. 3 shows the 4T-1M type non-volatile associative memory cell 15 according to the present invention divided into (a) to (d). FIG. 3A shows a basic circuit of a memory cell, which is characterized by having one magnetoresistive sensor R as a storage unit in the memory cell and outputting a match detection result. It has lines, that is, signal lines p-ML and n-ML, each of which extends in the word direction, and the signal line p-ML of the match line is precharged to a high potential, whereas the signal line n of the match line. -ML is precharged to a low potential.
As a conventional example, Patent Documents 1 and 2 have two magnetoresistive elements as differential paired memories, and Patent Documents 3 and 4 have two magnetoresistive elements for writing complementary data. It is disclosed. Further, in Patent Documents 1, 2, 3, and 4, there is only one match line that outputs a match detection result, which extends in the word direction and is precharged to a high potential.
The difference between the non-volatile associative memory cell of the present invention and the conventional example is remarkable.

図3の(b)は、メモリセル内の書き込み回路16を点線で囲んでいるが、その回路の中身は、書き込み電流を流す信号線WBLと、トランジスタM2と、磁気抵抗効果素子Rと、書き込み電流を流す信号線WBLBとが直列接続になっている。1ビットデータの書き込み動作は、読み出しの信号線CLKは論理値“1”の高電位が印加されてトランジスタM1はOFF状態になり、サーチの信号線SLは論理値“0”の低電位が印加されてトランジスタM3はOFF状態になり、同じくサーチの信号線SLBは論理値“0”の低電位が印加されてトランジスタM4はOFF状態になることが必要であり、さらに上記の書き込み回路16を稼働させるため、書き込み動作を有効とする信号線WENには論理値“1”の高電位が印加されてトランジスタM2はON状態になり、書き込み電流を流す2つの信号線WBLとWBLBとの間に磁気抵抗効果素子Rの磁化反転を起こすための適度な電圧差を与えることで、記憶データの書き換え動作は完了する。 In FIG. 3B, the writing circuit 16 in the memory cell is surrounded by a dotted line, and the contents of the circuit include a signal line WBL through which a writing current flows, a transistor M2, a magnetoresistive sensor R, and writing. The signal line WBLB through which current flows is connected in series. In the 1-bit data writing operation, a high potential with a logic value of "1" is applied to the read signal line CLK, the transistor M1 is turned off, and a low potential with a logic value "0" is applied to the search signal line SL. Then, the transistor M3 is turned off, and the search signal line SLB needs to be turned off by applying a low potential of the logic value “0”, and the above-mentioned writing circuit 16 is operated. In order to make the signal line WEN effective for the write operation, a high potential of a logical value "1" is applied, the transistor M2 is turned on, and the magnetic force is applied between the two signal lines WBL and WBLB through which the write current flows. The rewriting operation of the stored data is completed by giving an appropriate voltage difference for causing the magnetization reversal of the resistance effect element R.

図3の(c)は、メモリセル内の読み出し回路17を点線で囲んでいるが、その回路の中身は、読み出し電流の高電位側の起点となるVdd端子と、トランジスタM1と、磁気抵抗効果素子Rと、書き込み電流を流す信号線WBLBとが直列接続になっている。但し、読み出し動作時の信号線WBLBは、読み出し電流の引き込み終端、SINKとして電流引き込みの機能と同時にGNDレベルに近い低電位状態の電圧Vsinkを与える機能を合わせ持っている。1ビットデータの読み出し動作は、書き込みの信号線WENには論理値“0”の低電位が印加されてトランジスタM2はOFF状態になり、書き込み電流を流す信号線WBLBは読み出し電流の引き込み終端となり、さらに、上記の読み出し回路17を稼働させるため、読み出しの信号線CLKは論理値“0”の低電位が印加されてトランジスタM1をON状態にすることで、記憶データの読み出し動作は完了する。スイッチ機能を持つトランジスタM1は、読み出し電流が通電されたON状態で、負荷抵抗としての役割りも果たす。このトランジスタM1の負荷抵抗と磁気抵抗効果素子Rの抵抗値とが、Vdd−Vsinkの印加電圧を配分することになり、トランジスタM1と磁気抵抗効果素子Rとの間の接続点には電位Vrが発生する。 In FIG. 3C, the read circuit 17 in the memory cell is surrounded by a dotted line, and the contents of the circuit include a Vdd terminal serving as a starting point on the high potential side of the read current, a transistor M1, and a magnetoresistive effect. The element R and the signal line WBLB through which the write current flows are connected in series. However, the signal line WBLB at the time of the read operation has a function of drawing the current as a SINK and a function of drawing the current as a SINK as well as a function of giving a voltage Vsink in a low potential state close to the GND level. In the 1-bit data read operation, a low potential of a logical value "0" is applied to the write signal line WE, the transistor M2 is turned off, and the signal line WBLB through which the write current flows becomes the lead-in end of the read current. Further, in order to operate the read circuit 17, the read signal line CLK is applied with a low potential of the logic value “0” to turn on the transistor M1, and the read operation of the stored data is completed. The transistor M1 having a switch function also serves as a load resistor in the ON state in which the read current is energized. The load resistance of the transistor M1 and the resistance value of the magnetoresistive sensor R distribute the applied voltage of Vdd-Vsink, and the potential Vr is present at the connection point between the transistor M1 and the magnetoresistive element R. appear.

図3の(d)は、メモリセル内の比較演算回路18を点線で囲んでいるが、その回路の中身は、トランジスタM1と磁気抵抗効果素子Rとの間に発生する電位Vrを取り込むために繋がった信号接続点と、検索サーチのための信号線SLにスイッチ制御されたトランジスタM3と、電位Vrと比較対象として高電位Vp-MLを保持しているマッチラインの信号線p−MLと、検索サーチのための信号線SLBにスイッチ制御されたトランジスタM4と、電位Vrと比較対象としてVn-MLを保持しているマッチラインの信号線n−MLとから構成される。特に、電位Vrの信号接続点とトランジスタM3とマッチラインの信号線p−MLとが1つ目の直列接続の関係があり、電位Vrの信号接続点とトランジスタM4とマッチラインの信号線n−MLとが2つ目の直列接続の関係があり、1つ目の直列接続連と2つ目の直列接続とは、互いに並列に配設されている。 In FIG. 3D, the comparison calculation circuit 18 in the memory cell is surrounded by a dotted line, and the content of the circuit is for capturing the potential Vr generated between the transistor M1 and the magnetic resistance effect element R. A connected signal connection point, a transistor M3 switch-controlled by the signal line SL for search, and a match line signal line p-ML that holds a high potential Vp-ML as a comparison target with the potential Vr. Search It is composed of a transistor M4 switch-controlled by the signal line SLB for search, and a match line signal line n-ML that holds Vn-ML as a comparison target with the potential Vr. In particular, the signal connection point of the potential Vr, the transistor M3, and the signal line p-ML of the match line have a first series connection relationship, and the signal connection point of the potential Vr, the transistor M4, and the signal line n- of the match line are connected. The ML has a second series connection relationship, and the first series connection series and the second series connection are arranged in parallel with each other.

比較演算回路18が稼働するとき、同時に読み出し回路17も稼働する必要がある。検索比較動作時に、1ビットデータの読み出し動作は、書き込みの信号線WENには論理値“0”の低電位が印加されてトランジスタM2はOFF状態になり、書き込み電流を流す信号線WBLBは読み出し電流の引き込み終端となり、さらに、上記の読み出し回路17を稼働させるため、読み出しの信号線CLKは論理値“0”の低電位が印加されてトランジスタM1をON状態にすることで、トランジスタM1と磁気抵抗効果素子Rとの間の接続点には電位Vrが発生する。次に、メモリセル内の1ビットデータの読み出し値と検索データとの検索比較動作は、検索データの論理値が、仮に“1”の場合、検索サーチのための信号線SLが論理値“1”の高電位状態が印加されてトランジスタM3をON状態になることで、電位Vrを持つ信号接続点と高電位Vp-MLを保持している信号線が繋がり、高電位Vp-MLの電位がそのまま保持するか、押し下げられるかのどちらかであり、そのVp-MLの電位変化が比較演算機能として作用していることを意味し、検索データの論理値が、仮に“0”の場合、検索サーチのための信号線SLBが論理値“1”の高電位状態が印加されてトランジスタM4をON状態になることで、電位Vrを持つ信号接続点と低電位Vn-MLを保持している信号線が繋がり、低電位Vn-MLの電位がそのまま保持するか、押し上げられるかのどちらかであり、そのVn-MLの電位変化が比較演算機能として作用することを意味している。 When the comparison calculation circuit 18 operates, the read circuit 17 also needs to operate at the same time. During the search comparison operation, in the 1-bit data read operation, a low potential of a logic value "0" is applied to the write signal line WEN, the transistor M2 is turned off, and the signal line WBLB through which the write current flows is the read current. In order to operate the read-out circuit 17 as described above, a low potential with a logical value of “0” is applied to the read-out signal line CLK to turn on the transistor M1 to turn on the transistor M1 and the magnetic resistance. An electric potential Vr is generated at the connection point with the effect element R. Next, in the search comparison operation between the read value of the 1-bit data in the memory cell and the search data, if the logical value of the search data is "1", the signal line SL for the search search is the logical value "1". By applying the high potential state of "" to turn on the transistor M3, the signal connection point having the potential Vr and the signal line holding the high potential Vp-ML are connected, and the potential of the high potential Vp-ML becomes high. It is either held as it is or pushed down, which means that the potential change of Vp-ML is acting as a comparison calculation function, and if the logical value of the search data is "0", the search is performed. When the high potential state of the logic value "1" is applied to the signal line SLB for the search and the transistor M4 is turned ON, the signal connecting point having the potential Vr and the signal holding the low potential Vn-ML are held. The lines are connected and the low potential Vn-ML potential is either held as it is or pushed up, which means that the potential change of the Vn-ML acts as a comparative calculation function.

図4は、図3に示した本発明の不揮発性連想メモリセルにおける真理値表である。図4(a)はメモリセル内の1ビットデータと検索データの検索比較動作の論理状態を示す。図3における信号線WBLBの論理値“0”のVsink低電位状態にあり、さらに信号線CLKに論理値“0”のパルス信号が印加されたとき、磁気抵抗効果素子Rに読み出し電流が流れ、トランジスタM1と磁気抵抗効果素子との間の信号接続点に電位Vrが発生する。磁気抵抗効果素子Rが低抵抗状態のとき、電位Vrは論理値“0”の低抵抗状態になり、磁気抵抗効果素子Rが高抵抗状態のとき、電位Vrは論理値“1”の高電位状態になり、デジタル的に判定された値が真理値表に記載されている。 FIG. 4 is a truth table in the non-volatile associative memory cell of the present invention shown in FIG. FIG. 4A shows the logical state of the search comparison operation of the 1-bit data and the search data in the memory cell. When the signal line WBLB in FIG. 3 is in the Vsink low potential state of the logical value “0” and a pulse signal having the logical value “0” is applied to the signal line CLK, a read current flows through the magnetoresistive effect element R. A potential Vr is generated at the signal connection point between the transistor M1 and the magnetoresistive sensor. When the magnetoresistive sensor R is in a low resistance state, the potential Vr is in a low resistance state with a logic value of “0”, and when the magnetoresistive sensor R is in a high resistance state, the potential Vr is a high potential with a logic value of “1”. The state is reached and the digitally determined value is listed in the truth table.

検索サーチのための信号線SLとSLBとは、一方の論理値が“1”であれば他方は論理値は“0”であるような互いに相補的な関係にある。仮に検索データが“1”で、一方のサーチの信号線SLは論理値“1”の高電位が印加されてトランジスタM3はON状態となり、高電位Vp-MLを保持している信号線p-MLと低インピーダンスで繋がり、もう一方のサーチの信号線SLBは論理値“0”の低電位が印加されてトランジスタM4はOFF状態となり、低電位Vn-MLを保持している信号線n-MLと高インピーダンスで繋がる。仮に検索データが“0”で、一方のサーチの信号線SLは論理値“0”の低電位が印加されてトランジスタM3はOFF状態となり、高電位Vp-MLを保持している信号線p-MLと高インピーダンスで繋がり、もう一方のサーチの信号線SLBは論理値“1”の高電位が印加されてトランジスタM4はON状態となり、低電位Vn-MLを保持している信号線n-MLと低インピーダンスで繋がる。図4(a)には書いていないが、1ビットデータの検索比較動作時、WENは常に論理値“0”の低電位状態が設定され、図3におけるトランジスタM2は常にOFF状態であり、トランジスタM1及び接続点に繋がる磁気抵抗効果素子の一端子の電位Vrに影響が出ないようにしている。 Search The signal lines SL and SLB for searching are in a complementary relationship with each other so that if one logical value is "1", the other logical value is "0". Assuming that the search data is "1", a high potential of a logical value "1" is applied to the signal line SL of one of the searches, the transistor M3 is turned on, and the signal line p- holding the high potential Vp-ML is turned on. The signal line SLB is connected to the ML with low impedance, the low potential of the logic value "0" is applied to the signal line SLB of the other search, the transistor M4 is turned off, and the signal line n-ML holding the low potential Vn-ML is turned off. Is connected with high impedance. Assuming that the search data is "0", a low potential of a logical value "0" is applied to the signal line SL of one of the searches, the transistor M3 is turned off, and the signal line p- holding the high potential Vp-ML is turned off. The signal line SLB is connected to the ML with high impedance, the high potential of the logic value "1" is applied to the signal line SLB of the other search, the transistor M4 is turned on, and the signal line n-ML holding the low potential Vn-ML is turned on. Is connected with low impedance. Although not shown in FIG. 4A, the WEN is always set to a low potential state with a logical value of “0” during the 1-bit data search / comparison operation, and the transistor M2 in FIG. 3 is always in the OFF state. The potential Vr of one terminal of the magnetoresistive sensor connected to M1 and the connection point is not affected.

図4(b)は1ビットデータのCAMセルに書き込み動作時の論理状態を示している。データを書き込み動作時、信号線WBL(ライトビットライン)と信号線WBLB(ライトビットラインバー)とは、一方が“1”であれば他方は“0”、一方が“0”であれば他方は“1”というような互いに相補的な関係にある。図3における信号線WBLの論理値“1”の高電位状態で、信号線WBLBの論理値“0”の低電位状態であり、さらにWEN端子に正パルス信号が印加されたとき、磁気抵抗効果素子は論理値“0”の低抵抗状態になるような書き込みが行われる。図3における信号線WBLの論理値“0”の低電位状態で、信号線WBLBの論理値“1”の高電位状態であり、さらにWEN端子に正パルス信号が印加されたとき、磁気抵抗効果素子は論理値“1”の高抵抗状態になるような書き込みが行われる。
図4(b)には書いていないが、データを書き込む動作時、CLKは常に論理値“1”の高電位状態が入力され、図3におけるトランジスタM1は常にOFF状態であり、直列接続に繋がる信号線WBL、トランジスタM2、磁気抵抗効果素子R、信号線WBLBの電位状態に影響を与えないようにしている。
図3のセル内の回路動作において、仮に検索データが“1”のとき、一方の検索サーチのための信号線SLは高電位状態で論理値“1”を示し、トランジスタM3のゲート電極はON状態になり、トランジスタM3を導通状態となり、磁気抵抗効果素子Rの電圧降下による電位Vrが高電位状態にプリチャージされたマッチラインの信号線p−MLに接続されるため、検索比較機能が有効状態になり、即ち磁気抵抗効果素子Rが高抵抗状態であれば、マッチラインの信号線p−MLは高電位状態を保持するが、磁気抵抗効果素子Rが低抵抗状態であれば、マッチラインの信号線p−MLがプリチャージされた高電位が押し下げられるように作用する。さらに仮に検索データが“1”のとき、他方の検索サーチのための信号線SLBは低電位状態で論理値“0”を示し、トランジスタM4のゲート電極はOFF状態になり、トランジスタM4は遮断状態となり、低電位状態にプリチャージされたマッチラインの信号線n−MLに対して高インピーダンス状態となり、磁気抵抗効果素子Rの電圧降下による電位Vrに拘わらず、マッチラインの信号線n−MLに影響を与えることがない。
図3のCAMセル回路の検索比較動作において、仮に検索データが“0”のとき、一方の検索サーチの信号線SLは低電位状態で論理値“0”を示し、トランジスタM3のゲート電極はOFF状態になり、トランジスタM3を遮断状態となり、磁気抵抗効果素子Rの電圧降下による電位Vrに拘わらず、高電位状態にプリチャージされたマッチラインの信号線p−MLに対して高インピーダンス状態となり、高電位状態にプリチャージされたマッチラインの信号線p−MLに影響を与えることがない。さらに仮に検索データが“0”のとき、他方の検索サーチのための信号線SLBは高電位状態で論理値“1”を示し、トランジスタM4のゲート電極はON状態になり、トランジスタM4は導通状態となり、磁気抵抗効果素子Rの電圧降下による電位Vrが低電位状態にプリチャージされたマッチラインの信号線n−SLに接続されるため、検索比較機能が有効状態になり、即ち磁気抵抗効果素子Rが高抵抗状態であれば、マッチラインの信号線n−MLはプリチャージされた低電位が押し上げられように作用し、磁気抵抗効果素子Rが低抵抗状態であれば、マッチラインの信号線n−MLは低電位状態を保持する。
FIG. 4B shows the logical state at the time of writing to the CAM cell of 1-bit data. During the data writing operation, the signal line WBL (write bit line) and the signal line WBLB (write bit line bar) are "0" if one is "1" and the other if one is "0". Are complementary to each other, such as "1". When the signal line WBLB has a high potential value of "1" in FIG. 3, the signal line WBLB has a low potential value of "0", and a positive pulse signal is applied to the WEN terminal, the magnetoresistive effect The element is written so as to be in a low resistance state with a logic value of “0”. When the signal line WBLB has a low potential value of “0” in FIG. 3, the signal line WBLB has a high potential value of “1”, and a positive pulse signal is applied to the WEN terminal, the magnetoresistive effect The element is written so as to be in a high resistance state with a logical value of "1".
Although not shown in FIG. 4B, during the operation of writing data, the high potential state of the logical value “1” is always input to CLK, and the transistor M1 in FIG. 3 is always in the OFF state, which leads to series connection. The potential states of the signal line WBL, the transistor M2, the magnetoresistive effect element R, and the signal line WBLB are not affected.
In the circuit operation in the cell of FIG. 3, when the search data is "1", the signal line SL for one of the search searches shows a logical value "1" in a high potential state, and the gate electrode of the transistor M3 is ON. The search comparison function is effective because the transistor M3 becomes conductive and the potential Vr due to the voltage drop of the magnetic resistance effect element R is connected to the signal line p-ML of the match line precharged in the high potential state. In that state, that is, when the magnetic resistance effect element R is in a high resistance state, the signal line p-ML of the match line maintains a high potential state, but when the magnetic resistance effect element R is in a low resistance state, the match line The signal line p-ML of the above acts to push down the precharged high potential. Further, if the search data is "1", the signal line SLB for the other search search shows a logical value "0" in the low potential state, the gate electrode of the transistor M4 is in the OFF state, and the transistor M4 is in the cutoff state. It becomes a high impedance state with respect to the signal line n-ML of the match line precharged to the low potential state, and becomes the signal line n-ML of the match line regardless of the potential Vr due to the voltage drop of the magnetic resistance effect element R. Does not affect.
In the search comparison operation of the CAM cell circuit of FIG. 3, when the search data is "0", the signal line SL of one of the search searches shows a logical value "0" in a low potential state, and the gate electrode of the transistor M3 is OFF. The transistor M3 is cut off, and the impedance is high with respect to the signal line p-ML of the match line precharged in the high potential state regardless of the potential Vr due to the voltage drop of the magnetic resistance effect element R. It does not affect the signal line p-ML of the match line precharged in the high potential state. Further, if the search data is "0", the signal line SLB for the other search search shows a logical value "1" in a high potential state, the gate electrode of the transistor M4 is turned ON, and the transistor M4 is in a conductive state. Therefore, the potential Vr due to the voltage drop of the magnetic resistance effect element R is connected to the signal line n-SL of the match line precharged in the low potential state, so that the search comparison function is enabled, that is, the magnetic resistance effect element. When R is in a high resistance state, the signal line n-ML of the match line acts so as to push up the precharged low potential, and when the magnetic resistance effect element R is in a low resistance state, the signal line of the match line. n-ML maintains a low potential state.

図5は、本発明に係る他の4T−1MTJ型不揮発性連想メモリセルの実施例で示す。図3の不揮発性連想メモリセルと同等機能を維持しながら、信号線CLK、信号線WENの2本を、信号線CLK/WENの1本に削減する。但し、本不揮発性連想メモリがスタンバイ待機状態など、低消費電力モードのとき、読み出し電流を止めるような休止状態を備える。そのため、信号線CLK/WENが論理値“1”の高電位状態に設定された場合であっても書き込み動作にならないように、書き込み電流の信号線WBL及びWBLBの両者の電圧差を0ボルト近くに制御するか、または書き込み電流の信号線WBL及びWBLBのどちらかをHigh−Z状態に制御する方法を備え、スタンバイ待機時は磁気抵抗効果素子Rに書き込み電流が流れ込まないように回路工夫を行う必要がある。 FIG. 5 shows an example of another 4T-1MTJ type non-volatile associative memory cell according to the present invention. While maintaining the same function as the non-volatile associative memory cell of FIG. 3, the signal line CLK and the signal line WEN are reduced to one of the signal line CLK / WEN. However, when the non-volatile associative memory is in a low power consumption mode such as a standby standby state, it has a hibernation state in which the read current is stopped. Therefore, the voltage difference between the signal lines WBL and WBLB of the write current is close to 0 volt so that the write operation does not occur even when the signal line CLK / WEN is set to the high potential state of the logical value “1”. A method is provided in which either the signal line WBL or WBLB of the write current is controlled to the High-Z state, and the circuit is devised so that the write current does not flow into the magnetoresistive effect element R during standby standby. There is a need.

図6は、本発明に係る他の4T−1MTJ不揮発性連想メモリセルの実施例を示す。図3の不揮発性連想メモリセルと同等機能を維持しながら、図6の(a)では、NMOSトランジスタM3は同じNMOSトランジスタM3のままで、NMOSトランジスタM4をPMOSトランジスタM4Revに変更することを特徴としているのに対し、図6の(b)ではNMOSトランジスタM3をPMOSトランジスタM3Revに変更し、NMOSトランジスタM4は同じNMOSトランジスタM4のままにすることを特徴としている。検索サーチの信号線SLまたはSLBの内、どちらか1本を削除できるという特徴も有している。しかし、本件の真の変更目的はトランジスタM1と磁気抵抗効果素子Rとの間の信号接続点の電位Vrに対し、高電位状態Vp−MLまたは低電位状態Vn−MLと比較演算を行うとき、トランジスタM3、トランジスタM4共にNMOSトランジスタで構成した場合、両方のトランジスタのゲート・ソース間のスイッチング制御電圧が相当に異なり、両方のトランジスタのON抵抗の違いやスイッチング速度の違いなどの問題に直面する。その解決のため、トランジスタM3とトランジスタM4を、NMOS、PMOSの極性の異なるトランジスタを使用する。図6の(b)の例では、PMOSトランジスタM3Rev、NMOSトランジスタM4の極性の異なるものを使用して、それぞれのソース端子が高電位状態Vp−MLの信号線p−MLまたは低電位状態Vn−MLの信号線n−MLに繋がっている。仮に、PMOSトランジスタM3Revのゲート端子には論理値“0”の低電位を印加することで、ゲート・ソース間の電圧差を大きく取ることができ、ON抵抗の低減、スイッチング速度も速くなり、仮に、NMOSトランジスタM4のゲート端子には論理値“1”の高電位を印加することで、ゲート・ソース間の電圧差を大きく取ることができ、ON抵抗の低減、スイッチング速度も速くなるなどの性能向上が期待できる。 FIG. 6 shows an example of another 4T-1MTJ non-volatile associative memory cell according to the present invention. While maintaining the same function as the non-volatile associative memory cell of FIG. 3, in FIG. 6A, the NMOS transistor M3 remains the same NMOS transistor M3, and the NMOS transistor M4 is changed to the MOSFET transistor M4Rev. On the other hand, in FIG. 6B, the NMOS transistor M3 is changed to the NMOS transistor M3Rev, and the NMOS transistor M4 remains the same MOSFET transistor M4. Search It also has a feature that either one of the signal lines SL or SLB of the search can be deleted. However, the true purpose of the change in this case is when the potential Vr at the signal connection point between the transistor M1 and the magnetic resistance effect element R is compared with the high potential state Vp-ML or the low potential state Vn-ML. When both the transistor M3 and the transistor M4 are composed of an NMOS transistor, the switching control voltage between the gate and source of both transistors is considerably different, and problems such as a difference in ON resistance and a difference in switching speed of both transistors are faced. To solve this problem, transistors M3 and transistors M4 are used as transistors having different polarities of NMOS and NMOS. In the example of FIG. 6B, the MOSFET transistors M3Rev and the NMOS transistors M4 having different polarities are used, and the source terminals are the signal lines p-ML of the high potential state Vp-ML or the signal line p-ML of the low potential state Vn-. It is connected to the ML signal line n-ML. By applying a low potential with a logic value of "0" to the gate terminal of the MOSFET transistor M3Rev, a large voltage difference between the gate and source can be obtained, the ON resistance can be reduced, and the switching speed can be increased. By applying a high potential with a logic value of "1" to the gate terminal of the NMOS transistor M4, a large voltage difference between the gate and source can be obtained, the ON resistance is reduced, and the switching speed is increased. Improvement can be expected.

図7は、本発明に係る他の不揮発性連想メモリの実施例を示す。セル内にシングルエンド型センスアンプ回路SA1を組み込むことにより、磁気抵抗効果素子Rの低抵抗状態と高抵抗状態との信号電圧差(Vrの変化分)をフル振幅の信号電圧として出力し、一致・不一致の検出マージンを向上させることができる。センスアンプSA1は、インバータ回路IVとトランジスタM15とで構成されている。そのため、面積的コンパクトであるという特徴を有するが、入力データに対して反転したデータを出力する。そのため、このセンスアンプSA1による反転を修復するため、図7に検索サーチの信号線SLとSLBとを図3のそれと反対に入れ換えている。図7の回路動作は、仮に磁気抵抗効果素子Rが高抵抗状態のとき、電位Vrは論理値“1”の高電位状態であり、センスアンプSA1を通過すると論理値“0”のGNDレベルに近い低電位状態を出力するが、これを信号線n−MLに繋ぎ、低電位状態Vn−MLと比較演算を行い、比較結果を信号線n−MLに反映させるが、仮に磁気抵抗効果素子Rが低抵抗状態のとき、電位Vrは論理値“0”の低電位状態であり、センスアンプSA1を通過すると論理値“1”のVddレベルに近い高電位状態を出力するが、これを信号線p−MLに繋ぎ、高電位状態Vp−MLと比較演算を行い、比較結果を信号線p−MLに反映させる。 FIG. 7 shows an example of another non-volatile associative memory according to the present invention. By incorporating the single-ended sense amplifier circuit SA1 in the cell, the signal voltage difference (change in Vr) between the low resistance state and the high resistance state of the magnetoresistive sensor R is output as a full-amplitude signal voltage and matches. -The mismatch detection margin can be improved. The sense amplifier SA1 is composed of an inverter circuit IV and a transistor M15. Therefore, although it has a feature of being compact in area, it outputs data inverted with respect to the input data. Therefore, in order to repair the inversion caused by the sense amplifier SA1, the signal lines SL and SLB of the search search are replaced with those of FIG. 3 in the opposite direction to that of FIG. In the circuit operation of FIG. 7, when the magnetic resistance effect element R is in the high resistance state, the potential Vr is in the high potential state of the logical value “1”, and when it passes through the sense amplifier SA1, it reaches the GND level of the logical value “0”. A close low potential state is output, which is connected to the signal line n-ML, a comparison calculation is performed with the low potential state Vn-ML, and the comparison result is reflected in the signal line n-ML. When is in the low resistance state, the potential Vr is in the low potential state of the logical value "0", and when it passes through the sense amplifier SA1, it outputs the high potential state close to the Vdd level of the logical value "1". It is connected to p-ML, a comparison calculation is performed with the high potential state Vp-ML, and the comparison result is reflected on the signal line p-ML.

図8は、完全並列型検索を行う不揮発性連想メモリ100の全体構成を示す。その中央には複数の連想メモリセル104が格子状に配置されている。不揮発性連想メモリ100は、ビットライン方向(Y軸上)の一端にはカラム側方向制御部101を備え、カラム側方向制御部101は検索データメモリ、検索のデータメモリの記憶値により“0”または“1”の論理値を出力するサーチラインドライバー、アドレスのカラムデコーダーと書き込み電流を伝えるライトビットラインデコーダーを備えている。不揮発性連想メモリ100は、ワードライン方向(X軸上)の一端にはロウ側方向制御部102を備え、アドレスのロウデコーダーと読み出し信号線CLKを出力制御する読み出し制御部、書き込み信号WENを出力制御する書き込み制御部を備えている。不揮発性連想メモリ100は、検索データメモリと記憶データとの一致・不一致の結果を出力する2本のマッチラインがワードライン方向に配設され、その一端にマッチラインセンシング制御・出力ドライバー103を備えている。
不揮発性連想メモリ100の全体構成は、カラム側方向制御部101の中に検索データが格納されたレジスタ群を備え、その各々のレジスタには、レジスタ値に応じたサーチのための相補的な信号線SLx、SLBxが出力され、さらに、連想メモリセル104の記憶データの書き換えのための相補的な書き込み電流線WBLx、WBLBxが出力されている。
完全並列型検索は、カラム側方向制御101の中にある検索データのレジスタ値と、ワード方向に繋がる各々の連想メモリセル104の記憶データとの間で瞬時の比較演算を行い、マッチラインセンシング制御・出力ドライバー103より出力される信号ML Output m(mは1、2、・・・の自然数)に最終的に一致判定結果を出力する。
FIG. 8 shows the overall configuration of the non-volatile associative memory 100 that performs a completely parallel search. A plurality of associative memory cells 104 are arranged in a grid pattern in the center thereof. The non-volatile associative memory 100 includes a column-side direction control unit 101 at one end in the bit line direction (on the Y-axis), and the column-side direction control unit 101 is “0” depending on the stored values of the search data memory and the search data memory. Alternatively, it is equipped with a search line driver that outputs a logical value of "1", a column decoder of the address, and a write bit line decoder that transmits the write current. The non-volatile associative memory 100 includes a row side direction control unit 102 at one end in the word line direction (on the X axis), outputs a low decoder of the address, a read control unit that outputs and controls the read signal line CLK, and outputs a write signal WEN. It has a write control unit to control. The non-volatile associative memory 100 is provided with two match lines that output match / mismatch results between the search data memory and the stored data in the word line direction, and a match line sensing control / output driver 103 at one end thereof. ing.
The overall configuration of the non-volatile content addressable memory 100 includes a register group in which search data is stored in the column side direction control unit 101, and each register has a complementary signal for searching according to the register value. The lines SLx and SLBx are output, and the complementary write current lines WBLx and WBLBx for rewriting the stored data of the associative memory cell 104 are output.
In the completely parallel type search, a match line sensing control is performed by performing an instantaneous comparison operation between the register value of the search data in the column side direction control 101 and the stored data of each associative memory cell 104 connected in the word direction. -Finally, the match determination result is output to the signal ML Output m (m is a natural number of 1, 2, ...) Output from the output driver 103.

図9は、本実施形態に係るマッチラインセンシング制御部/出力ドライバーの回路110を示す。
マッチラインセンシング制御部/出力ドライバーの回路110は、ワード方向に並んだ複数の連想メモリセル104に接続された2本のマッチラインの信号線p−ML及びとn−MLを入力し、最終の判定結果を出力する。回路の中身は、信号線p_MLのセンシング回路部112、信号線n_MLのセンシング回路部113、インバータ114、AND115、出力ドライバー116で構成される。
図10は、図9に示したマッチラインセンシング制御部/出力ドライバーの回路110における真理値表である。
FIG. 9 shows the circuit 110 of the match line sensing control unit / output driver according to the present embodiment.
The matchline sensing control unit / output driver circuit 110 inputs the signal lines p-ML and n-ML of the two matchlines connected to the plurality of associative memory cells 104 arranged in the word direction, and finally Output the judgment result. The contents of the circuit are composed of a sensing circuit unit 112 of the signal line p_ML, a sensing circuit unit 113 of the signal line n_ML, an inverter 114, an AND 115, and an output driver 116.
FIG. 10 is a truth table in the circuit 110 of the match line sensing control unit / output driver shown in FIG.

図11は、本発明に係る“Don’t care”を意味するバリッドビットを含む完全並列型TCAM200の全体構成を示している。カラム側方向制御101、ロウ側方向制御102、マッチラインセンシング制御・出力ドライバー103の詳細説明は省略する。格子状に配置された複数の連想メモリセル105は、正規の1ビットデータ記憶のためのCAMセル201とバリッドビットのCAMセルから構成されている。CAMセル201はワードライン方向(X軸上)に隣接の8ビット分が連結して並び、それらはCAMセル0〜CAMセル7と番号付けられていて、CAMセル7の近接にバリッドビットのCAMセル202を含め、1バイト単位の構成になっている。1つのCAMセル201は“0”、“1”の記憶しかできない。そのため、別にバリッドビットのCAMセル202を持ち、ここに論理値“1”が入力されると、CAMセル201の8ビット分が全て一致したとみなすように機能する。
尚、CAMセルが8ビット単位で連結動作させる理由は、文字検索など1バイト単位の文字コード検索の頻度が高く、さらに普及している中央演算処理プロセッサ(CPU)が、データの読み出しと書き込みを行う上で1バイト単位は都合の良いサイズだからである。バリッドビットは、信号線Resetが接続されているようにリセット信号を用いて、ワード方向に並ぶ複数のバリッドビッドを一斉に論理値“0”にクリアできるようにすると、より使い勝手が良くなる。次に、バリッドビットのCAMセルの内部回路及び動作において、比較演算結果を最終的に出力する信号線p―ML、n―MLに対して、同様に比較演算結果を出力する副次的な信号線Sub_p―ML、Sub_n―MLが備えてあり、回路的に信号線p―ML、n―MLと、副次的な信号線Sub_p―ML、Sub_n―MLとは切り離されている。検索比較動作時、CAMセル0〜CAMセル7の比較演算結果を信号線Sub_p―ML、Sub_n―MLに出力させておくが、仮にバリッドビットのCAMセルの論理値“0”ならば、信号線Sub_p―ML、Sub_n―MLを信号線p―ML、n―MLにそれぞれ繋がるようにスイッチ素子がONとして働き、CAMセル0〜CAMセル7の一致・不一致の結果を、後段のマッチラインセンシング制御部/出力ドライバー110に反映させ、また、仮にバリッドビットのCAMセルの論理値“1”ならば、信号線Sub_p―ML、Sub_n―MLを信号線p―ML、n―MLにそれぞれ繋がることがないようにスイッチ素子がOFFとして働き、CAMセル0〜CAMセル7の比較演算結果に拘わらず、後段のマッチラインセンシング制御部/出力ドライバー110に反映させない。
この比較演算結果を反映させない場合、CAMセル0〜CAMセル7は一致していることと同じ意味を成す。図11ではバリッドビットのCAMセル202の中身に信号線Sub_p―ML、Sub_n―MLを信号線p―ML、n―MLにそれぞれ繋ぐためのスイッチ素子の絵図が書かれてあるが、他の方法でもバリッドビットを使って“Don’t care”を作り出す方法はあるが、省略する。
FIG. 11 shows the overall configuration of a fully parallel TCAM 200 including a valid bit meaning “Don't care” according to the present invention. Detailed description of the column side direction control 101, the row side direction control 102, and the match line sensing control / output driver 103 will be omitted. The plurality of associative memory cells 105 arranged in a grid pattern are composed of a CAM cell 201 for normal 1-bit data storage and a valid bit CAM cell. The CAM cells 201 are arranged by connecting 8 adjacent bits in the word line direction (on the X-axis), and they are numbered as CAM cells 0 to CAM cells 7, and the CAM of the valid bits is close to the CAM cells 7. It is configured in 1-byte units including cell 202. One CAM cell 201 can only store "0" and "1". Therefore, it has a separate valid bit CAM cell 202, and when a logical value "1" is input therein, it functions so as to consider that all 8 bits of the CAM cell 201 match.
The reason why the CAM cells are connected in 8-bit units is that the frequency of character code searches in 1-byte units such as character searches is high, and the central processing unit (CPU), which is more widely used, reads and writes data. This is because 1-byte units are a convenient size for doing so. The valid bit becomes more convenient if a reset signal is used so that the signal line Reset can be used to clear a plurality of valid bids arranged in the word direction to the logical value "0" all at once. Next, in the internal circuit and operation of the CAM cell of the valid bit, a secondary signal that similarly outputs the comparison calculation result to the signal lines p-ML and n-ML that finally output the comparison calculation result. The lines Sub_p-ML and Sub_n-ML are provided, and the signal lines p-ML and n-ML are circuit-separated from the secondary signal lines Sub_p-ML and Sub_n-ML. At the time of search comparison operation, the comparison calculation result of CAM cell 0 to CAM cell 7 is output to the signal lines Sub_p-ML and Sub_n-ML, but if the logical value of the CAM cell of the valid bit is "0", the signal line The switch element works as ON so as to connect Sub_p-ML and Sub_n-ML to the signal lines p-ML and n-ML, respectively, and the match / mismatch result of CAM cells 0 to CAM cells 7 is controlled by match line sensing in the subsequent stage. It is reflected in the unit / output driver 110, and if the logical value of the CAM cell of the valid bit is "1", the signal lines Sub_p-ML and Sub_n-ML can be connected to the signal lines p-ML and n-ML, respectively. The switch element works as OFF so that it is not reflected in the match line sensing control unit / output driver 110 in the subsequent stage regardless of the comparison calculation result of the CAM cells 0 to CAM cells 7.
When this comparison calculation result is not reflected, CAM cells 0 to CAM cells 7 have the same meaning as matching. In FIG. 11, a picture of a switch element for connecting the signal lines Sub_p-ML and Sub_n-ML to the signal lines p-ML and n-ML is drawn in the contents of the CAM cell 202 of the valid bit, but another method is used. However, there is a method of creating "Don't care" using a ballid bit, but it is omitted.

図12は、本発明に係るバリッドビットとパリティビットとを含むTCAM300の全体構成を示している。図11に示したメモリセル105に対して、新たにパリティビット301が含まれ、さらにパリティの演算回路である多入力排他論理和ロジック302とが書き示されている。一般に、パリティチェックは検索データのパリティと記憶データのパリティを瞬時に比較することで、正しいデータが伝送されたか否かを判断する。 FIG. 12 shows the overall configuration of the TCAM 300 including the valid bit and the parity bit according to the present invention. A parity bit 301 is newly included in the memory cell 105 shown in FIG. 11, and a multi-input exclusive OR logic 302, which is a parity calculation circuit, is written. In general, the parity check instantly compares the parity of the search data with the parity of the stored data to determine whether or not the correct data has been transmitted.

図13は、本発明に係る予備交替のための記憶部を備えた6T−2MTJ形不揮発性連想メモリセルを示している。メモリセルは、直列接続された選択トランジスタと磁気抵抗効果素子との回路が2つ並んでおり、外部の交替制御を司るテーブル及び制御部51より交替要求を指示した信号線SELを経由して入力し、記憶部を順次選択する。仮に信号線SELの論理値“1”が入力されれば、トランジスタM11がON状態となって読み出し電流又は書き込み電流を通電することが可能になり、トランジスタM11と磁気抵抗効果素子R11が有効となるが、仮に信号線SELの論理値“0”が入力されれば、トランジスタM12がON状態となって読み出し電流又は書き込み電流を通電することが可能となり、トランジスタM12と磁気抵抗効果素子R12が有効となる。製造後の検査で、磁気抵抗効果素子R11、R12のどちらかに不良があると判断された場合、外部の交替制御を司るテーブル及び制御部51より、不良を避けて良品が有効となるように調整される。 FIG. 13 shows a 6T-2 MTJ type non-volatile associative memory cell provided with a storage unit for preliminary replacement according to the present invention. The memory cell has two circuits of a selection transistor and a magnetoresistive sensor connected in series, and is input via a table that controls external replacement control and a signal line SEL that instructs a replacement request from the control unit 51. Then, the storage units are sequentially selected. If the logical value "1" of the signal line SEL is input, the transistor M11 is turned on and the read current or the write current can be energized, and the transistor M11 and the magnetic resistance effect element R11 become effective. However, if the logical value "0" of the signal line SEL is input, the transistor M12 is turned on and the read current or the write current can be energized, and the transistor M12 and the magnetic resistance effect element R12 are effective. Become. If it is determined in the post-manufacturing inspection that either the magnetoresistive element R11 or R12 is defective, the table and control unit 51 that controls the external replacement control will avoid the defect so that the non-defective product will be effective. It will be adjusted.

図14は、本発明に係る他の予備交替のための記憶部を備えた不揮発性連想メモリセルの実施例を示している。図13の選択トランジスタM11はNMOSで、選択トランジスタM12はPMOSであるため、両者のON抵抗が異なり、比較判定のマージンが損なわれる可能性があった。そのため、図14の選択トランジスタ21及び22のように、同一タイプのNMOSで構成することを開示した。
さらに、メモリセルは、デコード回路61を新たに備え、外部の交替制御を司るテーブル及び制御部(図14は図示せず)より交替要求を指示した信号線SELを経由して入力し、記憶部を順次選択する。
デコード回路61は分配回路とインバータ回路とを備えている。SEL信号は1方はそのままトランジスタM21のゲート端子に接続し、もう一方はインバータ回路で一度反転してトランジスタM22のゲート端子に接続する。
FIG. 14 shows an example of a non-volatile content addressable memory cell provided with a storage unit for another preliminary replacement according to the present invention. Since the selection transistor M11 in FIG. 13 is an NMOS and the selection transistor M12 is a MPa, the ON resistances of the two are different, and the margin for comparison determination may be impaired. Therefore, it is disclosed that the selected transistors 21 and 22 of FIG. 14 are composed of the same type of NMOS.
Further, the memory cell is newly provided with a decoding circuit 61, and is input via a signal line SEL instructing a replacement request from a table and a control unit (not shown in FIG. 14) that controls external replacement control, and is stored in the storage unit. Are selected in sequence.
The decoding circuit 61 includes a distribution circuit and an inverter circuit. One of the SEL signals is directly connected to the gate terminal of the transistor M21, and the other is inverted once by the inverter circuit and connected to the gate terminal of the transistor M22.

図15は、本発明に係るヒューズ/メモリ回路及びデコード回路を含む予備交替のための記憶部を備えた不揮発性連想メモリセルを示している。メモリセルは、外部の交替制御を司るテーブル及び制御部52より、選択信号線SEL1、SEL2と、書き換え用信号線Strobeとを入力し、ヒューズまたはメモリ上に一度記憶し、次にデコード回路を通じて、記憶部(選択トランジスタと磁気抵抗効果素子の組み合わせ)の中から1つだけ選択する。 FIG. 15 shows a non-volatile content addressable memory cell including a fuse / memory circuit and a decoding circuit according to the present invention and a storage unit for preliminary replacement. In the memory cell, the selection signal lines SEL1 and SEL2 and the rewriting signal line Transistor are input from the table and the control unit 52 that control the external alternation control, and are stored once in the fuse or the memory, and then through the decoding circuit. Only one is selected from the storage unit (combination of selection transistor and magnetoresistive element).

尚、本発明に係る不揮発性記憶部として、スピン注入型磁気抵抗効果素子を使用する例を開示しているが、抵抗変化を示すものであれば他の記憶素子でもよく、例えば、ReRAMやPCRAMなどで構成しても良い。
ReRAMは概略図は省くが、上部電極と下部電極との間に記録層を挟み込んだ構造であり、上部電極と下部電極との間に印加電圧を制御することでセット状態(低抵抗)とリセット状態(高抵抗)とに設定することができる。
PCRAMは概略図は省くが、上部電極、記録層、ヒーター層、下部電極の順に積層された構造であり、
記憶層には相変化材料から構成され、上部電極と下部電極との間に電流パルスを通電制御することで結晶相(低抵抗)と非晶質相(高抵抗)とに設定することができる。
本発明の係るスイッチ素子として、MOSトランジスタを使用する例を開示しているが、3端子型であれば他のスイッチ素子でもよく、例えば、バイポーラトランジスタ、などで構成しても良い。
Although an example of using a spin injection type magnetoresistive sensor as the non-volatile storage unit according to the present invention is disclosed, other storage elements may be used as long as they show a resistance change, for example, ReRAM or PCRAM. It may be composed of such as.
Although the schematic diagram is omitted, ReRAM has a structure in which a recording layer is sandwiched between the upper electrode and the lower electrode, and the set state (low resistance) and reset are performed by controlling the applied voltage between the upper electrode and the lower electrode. It can be set to the state (high resistance).
Although the schematic diagram is omitted, the PCRAM has a structure in which the upper electrode, the recording layer, the heater layer, and the lower electrode are laminated in this order.
The storage layer is composed of a phase change material, and can be set to a crystalline phase (low resistance) and an amorphous phase (high resistance) by controlling the energization of a current pulse between the upper electrode and the lower electrode. ..
Although an example of using a MOS transistor is disclosed as the switch element according to the present invention, other switch elements may be used as long as they are of the 3-terminal type, and may be configured by, for example, a bipolar transistor.

10 磁気抵抗効果素子
11 磁化自由層
12 非磁性層
13 磁化固定層
15 メモリセルの基本回路
51 予備交替メモリセルを司る参照テーブルとデコード・ドライバー
52 予備交替メモリセルを司る参照テーブルと制御部
61 デコーダ回路
71 Fuseまたはメモリから構成される予備交替用記憶部
72 予備交替用記憶部の出力信号を受けたデコーダ回路
100 不揮発性連想メモリの全体構成
101 カラム側方向制御部
102 ロウ側方向制御部
103 マッチラインセンシング制御・出力ドライバー
104 メモリセル
105 “Don’t care”のバリッドビットを持つメモリセル
106 “Don’t care”のバリッドビットとパリティビットを持つメモリセル
110 p−ML及びn−MLの同時判定回路
112 p−ML用センシング回路
113 n−ML用センシング回路
114 インバータ回路
115 AND回路
116 ドライバー回路
200 不揮発性TCAMの全体構成
201 1ビットデータ記憶のメモリセル
202 “Don’t care”のバリッドビットのメモリセル
300 パリティビットを持つ不揮発性TCAMの全体構成
301 パリティビットのメモリセル
302 パリティの演算回路(多入力排他論理和ロジック)
10 Magnetic resistance effect element 11 Magnetizing free layer 12 Non-magnetic layer 13 Magnetizing fixed layer 15 Memory cell basic circuit 51 Reference table and decoding driver that control the preliminary replacement memory cell 52 Reference table and control unit that controls the preliminary replacement memory cell 61 Decoder Circuit 71 Pre-replacement storage unit composed of fuse or memory 72 Decoder circuit that receives the output signal of the preliminary replacement storage unit 100 Overall configuration of non-volatile associative memory 101 Column-side direction control unit 102 Row-side direction control unit 103 Match Line sensing control / output driver 104 Memory cell 105 Memory cell with valid bit of "Don't care" 106 Memory cell with valid bit and parity bit of "Don't care" 110 p-ML and n-ML at the same time Judgment circuit 112 P-ML sensing circuit 113 n-ML sensing circuit 114 Inverter circuit 115 AND circuit 116 Driver circuit 200 Overall configuration of non-volatile TCAM 201 1-bit data storage memory cell 202 “Don't care” valid bit Memory cell 300 Overall configuration of non-volatile TCAM with parity bit 301 Parity bit memory cell 302 Parity arithmetic circuit (multi-input exclusive logical sum logic)

Claims (10)

格子状に複数のメモリセルを備える連想メモリであって、各々の前記メモリセルは、少なくとも1つ以上の不揮発性記憶部と、書き込み回路と、読み出し回路と、比較演算回路とが一体化し、
高電位にプリチャージされた第1のマッチラインと、低電位にプリチャージされた第2のマッチラインとに接続され、
前記メモリセルは、
前記不揮発性記憶部の読み出しを行うために電流を供給する第1のスイッチ素子と、
前記不揮発性記憶部へ書き込みを行うために電流を供給する第2のスイッチ素子と、
前記不揮発性記憶部の電位と前記第1のマッチラインの電位との比較演算を行うために前記不揮発性記憶部と前記第1のマッチラインとの間に配置される第3のスイッチ素子と、
前記不揮発性記憶部の電位と前記第2のマッチラインの電位との比較演算を行うために前記不揮発性記憶部と前記第2のマッチラインとの間に配置される第4のスイッチ素子と、を含む、不揮発性連想メモリ。
An associative memory having a plurality of memory cells in a grid pattern, in which at least one or more non-volatile storage units, a write circuit, a read circuit, and a comparison calculation circuit are integrated in each memory cell.
It is connected to a first match line precharged to a high potential and a second match line precharged to a low potential.
The memory cell is
A first switch element that supplies a current to read out the non-volatile storage unit, and
A second switch element that supplies a current for writing to the non-volatile storage unit, and
A third switch element arranged between the non-volatile storage unit and the first match line in order to perform a comparison calculation between the potential of the non-volatile storage unit and the potential of the first match line.
A fourth switch element arranged between the non-volatile storage unit and the second match line in order to perform a comparison calculation between the potential of the non-volatile storage unit and the potential of the second match line. Non-volatile associative memory , including.
格子状に複数のメモリセルを備える連想メモリであって、各々の前記メモリセルは、少なくとも1つ以上の不揮発性記憶部と、書き込み回路と、読み出し回路と、比較演算回路とが一体化し、
高電位にプリチャージされた第1のマッチラインと、低電位にプリチャージされた第2のマッチラインとに接続され、
前記メモリセルは、前記不揮発性記憶部の一端が第1の接続点に接続されると共に前記不揮発性記憶部の他端は第2の電流通電用ビット線に接続される不揮発性記憶部と、
書き込み電流供給を制御するためのスイッチ制御電極が第2のワード線に接続された第2のスイッチ素子と、第2のスイッチ素子の一端が第1の電流通電用ビット線に接続されると共に第2のスイッチ素子の他端が第1の接続点に接続され、前記第1の電流通電用ビット線と前記第2のスイッチ素子と前記第1の接続点と前記不揮発性記憶部と前記第2の電流通電用ビット線とが直列接続された書き込み回路と、
読み出し電流供給を制御するためのスイッチ制御電極が第1のワード線に接続された第1のスイッチ素子と、第1のスイッチ素子の一端が読み出し電流の高電位側起点となる端子Vddに接続されると共に第1のスイッチ素子の他端が第1の接続点に接続され、前記高電位側起点の端子Vddと前記第1のスイッチ素子と前記第1の接続点と前記不揮発性記憶部と前記第2の電流通電用ビット線とが直列接続された読み出し回路と、
第1のマッチラインとの比較演算を制御するためのスイッチ制御電極が第1のサーチラインに接続された第3のスイッチ素子と、第3のスイッチ素子の一端が第1のマッチラインに接続されると共に第3のスイッチ素子の他端が第1の接続点に接続され、前記第1のマッチラインと前記第3のスイッチ素子と前記第1の接続点と前記不揮発性記憶部の高電位側一端とが直列接続された比較演算回路と、
第2のマッチラインとの比較演算を制御するためのスイッチ制御電極が第2のサーチラインに接続された第4のスイッチ素子と、第4のスイッチ素子の一端が第2のマッチラインに接続されると共に第4のスイッチ素子の他端が第1の接続点に接続され、前記第2のマッチラインと前記第4のスイッチ素子と前記第1の接続点と前記不揮発性記憶部の高電位側一端とが直列接続された比較演算回路と、から構成される、請求項1に記載の不揮発性連想メモリ。
An associative memory having a plurality of memory cells in a grid pattern, in which at least one or more non-volatile storage units, a write circuit, a read circuit, and a comparison calculation circuit are integrated in each memory cell.
It is connected to a first match line precharged to a high potential and a second match line precharged to a low potential.
In the memory cell, one end of the non-volatile storage unit is connected to a first connection point, and the other end of the non-volatile storage unit is connected to a second current energizing bit wire.
A second switch element in which a switch control electrode for controlling a write current supply is connected to a second word line, and one end of the second switch element are connected to a first current energizing bit line, and a second The other end of the second switch element is connected to the first connection point, and the first current energizing bit wire, the second switch element, the first connection point, the non-volatile storage unit, and the second A writing circuit in which the current energizing bit wire of the
A switch control electrode for controlling the read current supply is connected to the first switch element connected to the first word line, and one end of the first switch element is connected to the terminal Vdd which is the starting point on the high potential side of the read current. At the same time, the other end of the first switch element is connected to the first connection point, and the terminal Vdd of the high potential side starting point, the first switch element, the first connection point, the non-volatile storage unit, and the above. A readout circuit in which a second current energizing bit wire is connected in series, and
A third switch element in which a switch control electrode for controlling a comparison operation with the first match line is connected to the first search line, and one end of the third switch element are connected to the first match line. At the same time, the other end of the third switch element is connected to the first connection point, and the first match line, the third switch element, the first connection point, and the high potential side of the non-volatile storage unit are connected. A comparison arithmetic circuit with one end connected in series,
A fourth switch element in which a switch control electrode for controlling a comparison operation with the second match line is connected to the second search line, and one end of the fourth switch element are connected to the second match line. At the same time, the other end of the fourth switch element is connected to the first connection point, and the second match line, the fourth switch element, the first connection point, and the high potential side of the non-volatile storage unit. The non-volatile associative memory according to claim 1, further comprising a comparison arithmetic circuit having one end connected in series.
前記メモリセルの検索動作は、読み出し電流を供給する前記第1のスイッチ素子がONとなり、
前記第1のサーチラインが高電位状態で且つ前記第2のサーチラインが低電位状態のとき、第3のスイッチ素子はONとなり、前記不揮発性記憶部の抵抗状態と読み出し電流との積に応じた第1の電圧と、前記第1のマッチラインの高電位状態にプリチャージされた第2の電圧との比較演算が行われ、
前記第1のサーチラインが高電位状態で且つ前記第2のサーチラインが低電位状態のとき、第4のスイッチ素子はOFFとなり、前記不揮発性記憶部の抵抗状態と読み出し電流との積に応じた第1の電圧と、前記第2のマッチラインの低電位状態にプリチャージされた第3の電圧との比較演算が行われることがなく、
前記第1のサーチラインが低電位状態で且つ前記第2のサーチラインが高電位状態のとき、第3のスイッチ素子はOFFとなり、前記不揮発性記憶部の抵抗状態と読み出し電流との積に応じた第1の電圧、と前記第1のマッチラインの高電位状態にプリチャージされた第2の電圧との比較演算が行われることがなく、
前記第1のサーチラインが低電位状態で且つ前記第2のサーチラインが高電位状態のとき、第4のスイッチ素子はONとなり、前記不揮発性記憶部の抵抗状態と読み出し電流との積に応じた第1の電圧と、前記第2のマッチラインの低電位状態にプリチャージされた第2の電圧との比較演算が行われることを特徴とする請求項2に記載の不揮発性連想メモリ。
In the memory cell search operation, the first switch element that supplies the read current is turned on.
When the first search line is in the high potential state and the second search line is in the low potential state, the third switch element is turned on, depending on the product of the resistance state of the non-volatile storage unit and the read current. A comparison calculation is performed between the first voltage and the second voltage precharged to the high potential state of the first match line.
When the first search line is in a high potential state and the second search line is in a low potential state, the fourth switch element is turned off, depending on the product of the resistance state of the non-volatile storage unit and the read current. No comparison calculation is performed between the first voltage and the third voltage precharged to the low potential state of the second match line.
When the first search line is in the low potential state and the second search line is in the high potential state, the third switch element is turned off, depending on the product of the resistance state of the non-volatile storage unit and the read current. No comparison calculation is performed between the first voltage and the second voltage precharged to the high potential state of the first match line.
When the first search line is in the low potential state and the second search line is in the high potential state, the fourth switch element is turned on, depending on the product of the resistance state of the non-volatile storage unit and the read current. The non-volatile associative memory according to claim 2 , wherein a comparison calculation is performed between the first voltage and the second voltage precharged in the low potential state of the second match line.
読み出し電流を供給するためのスイッチ制御用信号が伝達する前記第1のワード線と書き込み電流を供給するためのスイッチ制御用信号が伝達する前記第2のワード線を兼用することを特徴とする請求項に記載の不揮発性連想メモリ。 A claim characterized in that the first word line transmitted by a switch control signal for supplying a read current and the second word line transmitted by a switch control signal for supplying a write current are used in combination. Item 2. The non-volatile associative memory according to item 2. 格子状に複数のメモリセルを備える連想メモリであって、各々の前記メモリセルは、少なくとも1つ以上の不揮発性記憶部と、書き込み回路と、読み出し回路と、比較演算回路とが一体化し、
高電位にプリチャージされた第1のマッチラインと、低電位にプリチャージされた第2のマッチラインとに接続され、
前記メモリセルは、前記不揮発性記憶部の一端及びセンスアンプの入力端が接続される第1の接続点を有し、さらにセンスアンプの出力端が接続される第2の接続点を有し、前記第1の接続点に一端が接続されるとともに、読み出し電流を供給するためのスイッチ制御用電極が第1のワード線に接続された第1のスイッチ素子と接続され、前記第1の接続点は前記不揮発性記憶部の抵抗状態に応じた電圧を伝搬させる信号線の機能を持ち、前記第2の接続点に一端が接続されるとともにそれぞれのスイッチ制御用電極が第1及び第2のサーチラインにそれぞれ接続された第5及び第6のスイッチ素子と、第5及び第6のスイッチ素子の他端が第1及び第2のマッチラインにそれぞれ接続され、
また、前記第1の接続点に一端が接続されるとともに、書き込み電流を供給するためのスイッチ制御用電極が第2のワード線に接続された第2のスイッチ素子と、第2のスイッチ素子の他端が第1の書き込み線に接続され、前記不揮発性記憶部の他端が第2の書き込み線に接続される不揮発性連想メモリ。
An associative memory having a plurality of memory cells in a grid pattern, in which at least one or more non-volatile storage units, a write circuit, a read circuit, and a comparison calculation circuit are integrated in each memory cell.
It is connected to a first match line precharged to a high potential and a second match line precharged to a low potential.
The memory cell has a first connection point to which one end of the non-volatile storage unit and an input end of the sense amplifier are connected, and further has a second connection point to which the output end of the sense amplifier is connected. One end is connected to the first connection point, and a switch control electrode for supplying a read current is connected to a first switch element connected to the first word line, so that the first connection point is connected. Has the function of a signal line that propagates a voltage according to the resistance state of the non-volatile storage unit, one end is connected to the second connection point, and the respective switch control electrodes are the first and second searches. The fifth and sixth switch elements connected to the line and the other ends of the fifth and sixth switch elements are connected to the first and second match lines, respectively.
Further, a second switch element in which one end is connected to the first connection point and a switch control electrode for supplying a write current is connected to a second word line, and a second switch element. the other end is connected to a first write line, the other end of the nonvolatile memory unit is connected to the second write line, a non-volatile content addressable memory.
請求項1からのいずれか1項に記載されている不揮発性連想メモリが、複数のnビットの領域に分けて配設されたメモリセルと、前記nビットの領域の近接に配置された“X”(Don‘t care)の値を持つメモリセルとを備えることを特徴とする不揮発性TCAM。 The non-volatile associative memory according to any one of claims 1 to 5 is arranged in close proximity to a memory cell divided into a plurality of n-bit areas and the n-bit area. A non-volatile TCAM comprising a memory cell having a value of "X"(Don't care). 請求項1からのいずれか1項に記載されている不揮発性連想メモリが、複数のnビットの領域に分けて配設されたメモリセルと、前記nビットの領域の近接に配置された“X”(Don‘t care)の値を持つメモリセルと、パリティを持つメモリセルとを備えることを特徴とする不揮発性TCAM。 The non-volatile associative memory according to any one of claims 1 to 5 is arranged in close proximity to a memory cell divided into a plurality of n-bit areas and the n-bit area. A non-volatile TCAM comprising a memory cell having a value of "X"(Don't care) and a memory cell having parity. 前記メモリセルは、直列接続された予備交替のための選択用スイッチ素子と不揮発性磁気記憶素子とを、少なくとも2つ以上の並列接続されている不揮発性記憶部を有し、前記メモリセルの外部制御部から引き込まれる選択信号により、1つの前記選択用スイッチ素子をON状態とし、他の前記選択用スイッチ素子をOFF状態とすることを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の不揮発性連想メモリ。 The memory cell has at least two or more non-volatile storage units in which a selection switch element for preliminary replacement and a non-volatile magnetic storage element connected in series are connected in parallel, and is outside the memory cell. The method according to any one of claims 1 to 5 , wherein one of the selection switch elements is turned on and the other selection switch element is turned off by a selection signal drawn from the control unit. Non-volatile associative memory. 前記メモリセルは、直列接続された予備交替のための選択用スイッチ素子と不揮発性磁気記憶素子とを、少なくとも2つ以上の並列接続されている不揮発性記憶部を有し、前記メモリセルの外部制御部から引き込まれる選択信号を入力するデコーダ回路を有し、1つの前記選択用スイッチ素子をON状態とし、他の前記選択用スイッチ素子をOFF状態とするようにデコード出力することを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の不揮発性連想メモリ。 The memory cell has at least two or more non-volatile storage units in which a selection switch element for preliminary replacement and a non-volatile magnetic storage element connected in series are connected in parallel, and is outside the memory cell. It has a decoder circuit for inputting a selection signal drawn from a control unit, and is characterized in that one of the selection switch elements is turned on and the other selection switch elements are decoded and output so as to be in the OFF state. The non-volatile associative memory according to any one of claims 1 to 5. 前記メモリセルは、直列接続された予備交替のための選択用スイッチ素子と不揮発性磁気記憶素子とを、少なくとも2つ以上並列に接続されている不揮発性記憶部を有し、前記メモリセルの外部制御部から引き込まれる選択信号を入力するヒューズ記憶する回路またはメモリ記憶する回路と、その記憶された数値をデコーダするデコード回路を有し、1つの前記選択用スイッチ素子をON状態とし、他の前記選択用スイッチ素子をOFF状態とするようにデコード出力することを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の不揮発性連想メモリ。 The memory cell has a non-volatile storage unit in which at least two or more selection switch elements for preliminary replacement and a non-volatile magnetic storage element connected in series are connected in parallel, and is outside the memory cell. It has a fuse storage circuit or a memory storage circuit for inputting a selection signal drawn from a control unit, and a decoding circuit for decoding the stored numerical value, and one said selection switch element is turned on and the other said The non-volatile associative memory according to any one of claims 1 to 5 , wherein the selection switch element is decoded and output so as to be in the OFF state.
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