TW201344688A - 以高速磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶體 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種以自我參照磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶胞(MRAM-based TCAM胞)，其包含一第一和第二磁穿隧界面；一適於將一加熱電流分別流通於該第一和第二磁穿隧界面之第一和第二導電搭接片；一電連接於該第一和第二磁穿隧界面且使其串聯連接之電導線；一用於流通一第一場電流之第一電流線，係選擇性地將一第一寫入資料寫入該第一磁穿隧界面；及一用於流通一寫入電流之第二電流線，係選擇性地將一第二寫入資料寫入該第二磁穿隧界面，使得三個不同之胞邏輯狀態可被寫入該MRAM-based TCAM胞。
Description
本發明係關於一種以高速磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶胞(MRAM-based TCAM胞)，其允許高速執行一寫入和搜尋操作且將最多三個不同的胞邏輯狀態寫入該MRAM-based TCAM胞中。本發明亦關於一種用於寫入和搜尋該MRAM-based TCAM胞之方法。
內容可定址記憶體(Content Addressable Memory,CAM)係隨機存取記憶體(Random Access Memory,RAM)技術發展之自然結果。不像RAM般地係根據其位址來存取字組(word)，CAM係根據其內容來存取字組。CAM以類似傳統RAM的方式來儲存資料。然而，”讀取”CAM涉及到提供被匹配之資料，接著在CAM中搜尋一匹配使得該匹配之位址可被輸出。CAM係被設計成使用者供應一資料字組且CAM於一時脈週期內搜尋其整個記憶體，查看是否該資料字組儲存在記憶體的某處。如果該資料字組被發現，則CAM回報一列包含一
或多個發現到該字組之儲存器位址。CAM可在裝置啟動時被預載且在裝置操作過程中被再寫入。
為了快速地搜尋整個記憶體，CAM對每一記憶列(memory row)使用分離的匹配邏輯。當使用者提出一搜尋鑰(search key)，每一搜尋鑰位元係同時被所有匹配邏輯胞所看見。該等匹配邏輯胞之每一列接著將在所提供之搜尋鑰和相關記憶列中之儲存鑰間執行一位元-位元比較。比較結果將被簡化為一二進位值(例如，1表示匹配，0表示不匹配)且該等比較結果將被送入一優先權編碼器，最後產生搜尋結果。因為針對所有記憶列之比較係平行地執行，故CAM可達到高頻寬及固定時間搜尋(constant-time search)之效能。
CAM，且特別是三元CAM(TCAM)，係幾乎大部分地使用於網路裝置。它們提供諸如正常記憶體之讀取和寫入，但額外地支援搜尋功能，該搜尋功能將在整個記憶體中發現任何匹配資料之索引。一TCAM特別地可包括可匹配1和0的通配位元(wildcard bit)。這些通配位元可以使用於記憶體的存取操作(表示該搜尋之某些位元為"不理會")或者可與資料本身一起被儲存(表示該資料之某些位元不應該使用來決定一匹配)。當遮罩位元(mask bit)作用時(例如設定為邏輯0值)，該三元CAM胞被視為正在儲存一"不理會"(X)值，其意謂著所有在作用遮罩三元CAM胞上所執行的比較操作將形成一胞匹配條件。因此，如果一邏輯0資料位元被施加在一儲存著一作用遮罩位元和一邏輯1資料位元，則比較操
作將指示一胞匹配條件。如果一邏輯1資料位元被施加在一儲存著一作用遮罩位元和一邏輯0資料位元，則也會指示出一胞匹配條件。因此一TCAM能夠執行一部分匹配。由TCAM所提供之全平行搜尋可簡化許多諸如路由表查表(routing table lookup)之複雜操作之實施。因為TCAM同時搜尋記憶中每一個位置，TCAM中之元件順序顯得較不重要且大型索引結構通常可被完全避免。此平行搜尋係直接地實行某些應用(例如IP-查表)的需求，且可以作為更多搜尋方案之基石。TCAM也被使用於其他諸如封包分類(packet classification)、訪問列表控制(access list control)、用於入侵檢測之模式匹配(pattern matching for intrusion detection)之高速網路應用。TCAM也正與網路處理器一起使用作為協同處理器在例如封包分類和路由查表之多種應用上結合網路處理器使用。
一靜態隨機存取記憶體(SRAM)TCAM胞之典型的實現包括一含有二SRAM胞之三元儲存器，該二SRAM胞係結合10至12個電晶體。它也具有一比較邏輯，其係一基本上使用4個額外通路電晶體之XNOR閘。因此形成一含有14至16個電晶體之巨型胞尺寸，因此形成一昂貴的裝置。
不像RAM晶片具有簡單的儲存胞，在一全平行TCAM內之每一個別記憶位元具有本身相關的比較電路以偵測儲存資料位元與輸入資料位元之間的匹配。TCAM晶片的儲存能力與一般記憶晶片相較係相當地
小。此外，從來自資料字組中每一胞之數個匹配輸出可以結合產生一個完整資料字組匹配信號。相關額外的電路進一步地增加TCAM晶片的物理尺寸大小。再者，今日所作之CAM和TCAM(使用SRAM元件)本質上係屬揮發性，意謂當電力關閉時資料將會遺失。結果，每一比較電路在每一時脈週期均需要保持作用，導致電力的消散。因具有高價標籤、高功率及本質揮發性，TCAM僅被使用在搜尋速度無法使用較低成本方式達成之特別應用。
一具有以磁穿隧界面為基礎之記憶胞的隨機存取CAM已被本發明申請人於專利申請案WO2008/040561中所提出。於此，磁穿隧界面具有第一和第二磁層且作為資料儲存和資料感測。在每一胞內，暫存資料藉由在一或多條電流線中之電流脈衝而設定在磁穿隧界面內第一磁層之磁方位而寫入。用以和暫存資料比較之輸入資料可以經由該等電流線透過第二磁層之磁方位而以類似的方式加以設定。資料感測係藉由量測取決於該等磁層之相對磁方位之胞阻抗而執行。因為資料儲存、資料輸入和資料感測係整合在一個胞內，該記憶體係結合高密度和非揮發性。
新興記憶體技術和高速密集查表之應用需要具有大字組尺寸之三元內容可定址記憶體，但卻因為大胞電容之故而受苦於較低的搜尋速度。
歐洲專利EP2204814揭示一種以磁性隨機存取記憶體為基礎之三元內容可定址記憶(MRAM-based
TCAM)胞，其包含二磁穿隧界面、一耦合於各個磁穿隧界面之明顯感測線、一第二場線及與該場線垂直且共用於該二磁穿隧界面之另一場線。該MRAM-based TCAM胞可以一高或低邏輯狀態和一遮罩邏輯狀態儲存資料。
然而，所揭示的MRAM-based TCAM卻無法可靠地儲存超過二個阻抗狀態。此外，使用兩個垂直場線之MRAM-based TCAM胞係無法在尺寸上製造地很精小。
本發明係關於一種以自我參照磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶(MRAM-based TCAM)胞，其包含一第一磁穿隧界面和一第二磁穿隧界面；一電連接該第一磁穿隧界面之一端之第一導電搭接片；一電連接該第二磁穿隧界面之一端之第二導電搭接片一電導線電連接該第一和第二磁穿隧界面之另一端，使得該二磁穿隧界面係串聯；一適於流通一產生一第一磁場之第一場電流之第一電流線，將一第一寫入資料寫入該第一磁穿隧界面；以及一適於流通一與在該第一電流線中流通該第一場電流無關之寫入電流之第二電流線，將一第二寫入資料寫入該第二磁穿隧界面，該第二磁穿隧界面係選擇性地來自該第一寫入資料之寫入，使得三個不同的胞邏輯狀態可被寫入該MRAM-based TCAM胞。
於一實施例中，該寫入電流包含一產生一第二磁場之第二場電流。
於另一實施例，該寫入電流進一步包含一加熱電流，且其中該MRAM-based TCAM胞係排列成用於經由該電導線、該第一搭接片及該第二搭接片而將該加熱電流流通於該二磁穿隧界面，使得該二磁穿隧界面可同時在該高溫門檻值被加熱。
於再另一實施例，該寫入電流包含一加熱電流且其中該第二電流線係電連接該電導線，使得該加熱電流可經由該電導線之一部分和該第二電流線選擇性地流通於每該二磁穿隧界面，使得每該二磁穿隧界面可選擇性地被加熱。
於再另一實施例，該寫入電流進一步包一第二場電流且其中該MRAM-based TCAM胞係排列成用於在該第一電流線中流通該第二場電流。
本發明進一步係關於一種包含複數個MRAM-based TCAM胞之磁性記憶體裝置。
本發明亦係關於一種寫入該MRAM-based TCAM胞之方法，包含：選擇性地將一第一寫入資料寫入該第一磁穿隧界面且選擇性地將一第二寫入資料寫入該第二磁穿隧界面，為要將一胞邏輯狀態寫入該MRAM-based TCAM胞。
於一實施例，該寫入電流包含一產生一第二磁場之第二場電流，且其中該選擇性地將該第一和第二寫入資料分別寫入該第一和第二磁穿隧界面之步驟包含：將該第一和第二磁穿隧界面加熱至該高溫
門檻值；及在該第一電流線中流通具有一第一極性之該第一場電流用以根據該第一極性切換該第一磁穿隧界面之該儲存磁化量；及在該第二電流線中流通具有一第二極性之該第二場電流用以根據該第二極性切換該第二磁穿隧界面之該儲存磁化量。
於另一實施例，該寫入電流進一步包含一加熱電流，且其中將該第一和第二磁穿隧界面加熱之步驟包含經由該電導線、該第一搭接片及該第二搭接片而將該加熱電流流通於該二磁穿隧界面。
於再另一實施例，該寫入電流包含一加熱電流且其中該第二電流線係電連接該電導線；且該選擇性地將該第一和第二寫入資料分別寫入該第一和第二磁穿隧界面之步驟包含：選擇性地將該第一磁穿隧界面加熱至該高溫門檻值；在該第一電流線中流通具有一第一極性之該第一場電流用以根據該第一極性切換該第一磁穿隧界面之該儲存磁化量；選擇性地將該第二磁穿隧界面加熱至該高溫門檻值；及在該第一電流線中流通具有一第二極性之一第二場電流用以根據該電流極性切換該第二磁穿隧界面之該儲存磁化量。
於再另一實施例，該選擇性地將該第一磁穿
隧界面加熱之步驟包含經由該第二電流線、該電導線之一第一部分及該第一搭接片而將該加熱電流流通於該一磁穿隧界面；且該選擇性地將該第二磁穿隧界面加熱之步驟包含經由該第二電流線、該電導線之一第二部分及該第二搭接片而將該加熱電流流通於該二磁穿隧界面。
於再另一實施例，該第一極性係與該第二極性相同為要將一高(“1”)或一低(“0”)胞邏輯狀態寫入該MRAM-based TCAM胞；或者該第一極性係與該第二極性相反為要將一不理會(“X”)胞邏輯狀態寫入該MRAM-based TCAM胞。
本發明進一步係關於一種搜尋該MRAM-based TCAM胞之方法，包含：將該第一和第二磁穿隧界面之該搜尋磁化量對準於一第一搜尋方向；量測第一胞阻抗；將該第一和第二磁穿隧界面之該搜尋磁化量對準於一第二搜尋方向；量測第二胞阻抗；及藉由該第一和第二胞阻抗之差值決定該胞邏輯狀態。
於一實施例，該將該搜尋磁化量對準於一第一搜尋方向之步驟包含將一具有一第一極性之搜尋電流流通於該第一電流線和/或該第二電流線中，且該將該搜尋磁化量對準於一第二搜尋方向之步驟包含將具有一與該第一極性相反之第二極性之該搜尋電流流通於該第一
電流線和/或該第二電流線中。
於另一實施例，該等量測第一和第二胞阻抗之步驟包含經由該電導線及該第一和第二搭接片而將該搜尋電流流通於該第一和第二磁穿隧界面。
揭示於本文之MRAM-based TCAM胞允許高速執行寫入和搜尋操作且將最多三個不同的胞邏輯狀態寫入該MRAM-based TCAM胞中
1‧‧‧磁性隨機記憶胞
2‧‧‧第一磁穿隧界面
2'‧‧‧第二磁穿隧界面
21‧‧‧搜尋層
210‧‧‧感測磁化量
22‧‧‧穿隧阻障層
23‧‧‧儲存層
230‧‧‧儲存磁化量
3‧‧‧電導線
31‧‧‧加熱電流
32‧‧‧搜尋電流
4‧‧‧第一電流線
4'‧‧‧第二電流線
41‧‧‧第一場電流
41'‧‧‧第二場電流
42‧‧‧第一磁場
42'‧‧‧第二磁場
51‧‧‧搜尋電流
52‧‧‧搜尋磁場
7‧‧‧第一導電搭接片
7'‧‧‧第二導電搭接片
8‧‧‧第一選擇電晶體
8'‧‧‧第二選擇電晶體
9‧‧‧第一場選擇電晶體
9'‧‧‧第二場選擇電晶體
△R‧‧‧第一胞阻抗與第二胞阻抗之差值
RC1‧‧‧第一胞阻抗
RC2‧‧‧第二胞阻抗
Rmin‧‧‧最小界面阻抗
Rmax‧‧‧最大界面阻抗
Rmtj1‧‧‧第一界面阻抗
Rmtj2‧‧‧第二界面阻抗
本發明將藉由以範例和圖式解說方式之實施例敍述之幫助而更佳地理解，其中第1圖係圖示根據一實施例之一包含一第一和第二磁穿隧界面之MRAM-based TCAM胞；第2圖係圖示根據另一實施例之一包含該第一和第二磁穿隧界面之MRAM-based TCAM胞；及第3a圖至第3d圖係表示該第一和第二磁穿隧界面之儲存磁化量和搜尋磁化量之不同配置。
表示於第1圖之實施例係一種以自我參照磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶(MRAM-based TCAM)胞1，其包含第一磁穿隧界面2第二磁穿隧界面2'、電連接該第一磁穿隧界面2之一端之第一導電搭接片7、電連接該第二磁穿隧界面2'之一端之第二導電搭接片7'，每該第一和第二導電搭接片7、7'係分別在該第一和第二磁穿隧界面2、2'之一側上橫向延伸。MRAM-based TCAM胞1進一步包含一分別電連
接該第一和第二磁穿隧界面2、2'之另一端之電導線3，使得該二磁穿隧界面2、2'係電性串聯。每一磁穿隧界面2、2'包含一具有一搜尋磁化量210之搜尋層21、一具有一儲存磁化量230之儲存層23及一介於該搜尋層21和該儲存層23之間的穿隧阻障層22，該搜尋磁化量210係可自由地改變，該儲存磁化量230可從一第一穏定方向切換至一第二穏定方向。MRAM-based TCAM胞1進一步包含一電連接該第一搭接片7之一端，係相對於連接於第一磁穿隧界面2之一端，之第一選擇電晶體8。一第二選擇電晶體8'係連接第二搭接片7'之一端，係相對於連接於第二磁穿隧界面2'之一端。於此配置中，一寫入電流或加熱電流31可經由第一和第二搭接片7、7'而流通於該二磁穿隧界面2、2'和該電導線3。
MRAM-based TCAM胞1進一步包含一連接於第一磁穿隧界面2之第一電流線4和一連接於第二磁穿隧界面2'之第二電流線4'。第一電流線4係被排列用於流通一第一場電流41為要產生一第一磁場42。寫入電進一步包含第二場電流41'且第二電流線4'係被排列以流通與第一場電流41無關之第二場電流41'，為要產生一第二磁場42'。在第1圖之範例中，第一電流線4係實質上平行於第二電流線4'。
寫入操作
根據一實施例，MRAM-based TCAM胞1之一寫入操作包含選擇性地將一第一寫入資料寫入該第一磁穿隧界面2，且選擇性地將一第二寫入資料寫入該第
二磁穿隧界面2'。寫入第一和第一寫入資料可包含將第一和第二磁穿隧界面2、2'加熱至該高溫門檻值；在一第一寫入方向切換第一磁穿隧界面2之儲存磁化量230和在一第二寫入方向切換第二磁穿隧界面2'之儲存磁化量230；以及將第一和第二磁穿隧界面2、2'冷卻至一低溫門檻值，於該低溫門檻值時儲存磁化量230係被凍結在已寫入狀態。
將第一和第二磁穿隧界面2、2'加熱至該高溫門檻值之步驟可藉由當第一和第二選擇電晶體8、8'處於流通模式時，經由電導線3和搭接片7、7'將加熱電流31流通於磁穿隧界面2、2'。在第一和第二磁穿隧界面2、2'之儲存層23被一反鐵磁層(圖未示)交換耦合的情況下，該高溫門檻值係應該等於或大於該反鐵磁層之一臨界溫度，於此情況下交換耦合消失且儲存層23不再被該反鐵磁層所固定且可自由地被調整。因為加熱電流31流通於二磁穿隧界面2、2'，二磁穿隧界面2、2'係同時被加熱至該高溫門檻值。
在第一寫入方向切換第一磁穿隧界面2之儲存磁化量230之步驟可包含在該第一電流線4中流通具有一第一極性之該第一場電流41。在第二寫入方向切換第二磁穿隧界面2'之儲存磁化量230可包含在該第二電流線4'中流通具有一第二極性之第二場電流41'。在第一電流線4中流通第一場電流41可藉由將第一場選擇電晶體9設定成流通模式來達成。在第二電流線4'中流通第二場電流41'，與第一場電流41無關，可藉由將第二場
選擇電晶體9'設定成流通模式來達成。第一場電流41之極性可以和第二場電流41'之極性相同或相反。此外，切換第一和第二磁穿隧界面2、2'之儲存磁化量230可以同時進行，以允許高速寫入操作之執行。
搜尋操作
根據一實施例，一自我參照搜尋操作可包含將該第一和第二磁穿隧界面2、2'之該搜尋磁化量210對準於一第一搜尋方向；及將第一和第二寫入資料與對準於該第一搜尋方向之搜尋磁化量210相比較。搜尋操作可進一步包含將該第一和第二磁穿隧界面2、2'之該搜尋磁化量210對準於一第二搜尋方向；及將第一和第二寫入資料與對準於該第二搜尋方向之搜尋磁化量210相比較。對準搜尋磁化量210之步驟可藉由在第一和第二電流線4、4'中流通一搜尋電流51來執行為要產生一搜尋磁場52。搜尋磁化量210係根據該搜尋電流51之極性被對準於第一和第二搜尋方向。磁化量210相對於儲存磁化量230之方位將決定第一磁穿隧界面2之第一界面阻抗Rmtj1及第二磁穿隧界面2'之第二界面阻抗Rmtj2。或者，搜尋電流51可僅僅流通於第一電流線4或僅僅流通於第二電流線4'。
將第一和第二寫入資料與對準於第一或第二搜尋方向之搜尋磁化量210相比較之步驟可藉由分別量測第一和第二胞阻抗RC1、RC2來執行。這可藉由當對準搜尋磁化量210時，經由電導線3和搭接片7、7'將一搜尋電流32流通於第一和第二磁穿隧界面2、2'來執行。
當搜尋磁化量210被對準於第一搜尋方向時，第一胞阻抗RC1係相對應於第一界面阻抗Rmtj1與第二界面阻抗Rmtj2相串聯。當搜尋磁化量210被對準於第二搜尋方向時，第二胞阻抗RC2係相對應於第一界面阻抗Rmtj1與第二界面阻抗Rmtj2相串聯。搜尋電流51可交替變化使得搜尋磁化量210係隨著交替變化之搜尋電流51之極性攺變而連續地對準第一和第二搜尋方向。
第3a至3d圖表示對於第一和第二磁穿隧界面2、2'之儲存和搜尋磁化量230、210之不同配置。於圖形中，第一和第二磁穿隧界面2、2'之搜尋磁化量210係對準於指向圖形右方之第一搜尋方向。較特別地，於第3a圖中，第一和第二寫入資料兩者係相對應於狀態"0"，意即第一和第二磁穿隧界面2、2'兩者之儲存磁化量230係實質上平行於搜尋磁化量210而定位。所量測出之第一和第二界面阻抗Rmtj1、Rmtj2係因此為最小值(Rmin)且第一胞阻抗RC1也是最小值(RC1=2 Rmin)。於第3b圖中，第一寫入資料係相對應於狀態"0"且第二寫入資料係相對應於狀態"1"。此處，第一和第二磁穿隧界面2、2'之儲存磁化量230係分別實質上平行和不平行於搜尋磁化量210而定位。所量測出之第一界面阻抗Rmtj1係最小值(Rmin)，且所量測出之第二界面阻抗Rmtj2係最大值(Rmax)，產生第一胞阻抗RC1之一中間值Rmin+Rmax。第3c圖中，第一寫入資料係相對應於狀態"1"且第二寫入資料係相對應於狀態"0"。意即，第一和第二磁穿隧界面2、2'之儲存磁化量230係分別實質上不平行和平行於搜尋
磁化量210而定位。所量測出之第一界面阻抗Rmtj1係最大值(Rmax)且所量測出之第二界面阻抗Rmtj2係最小值(Rmin)，產生第一胞阻抗RC1之另一中間值Rmax+Rmin。第3d圖中，第一和第二寫入資料兩者均相對應於狀態"1"，意即第一和第二磁穿隧界面2、2'兩者之儲存磁化量230係實質上不平行於搜尋磁化量210。所量測出之第一和第二界面阻抗Rmtj1、Rmtj2係最大值(Rmax)且第一胞阻抗RC1也是最大值(RC1=2Rmax)。表1摘要第一和第二界面阻抗Rmtj1、Rmtj2之數值和相對應之第一胞阻抗RC1。
表2第一和第二界面阻抗Rmtj1、Rmtj2之數值和相對應之第二胞阻抗RC2，第二胞阻抗RC2係當第一和第二磁穿隧界面2、2'之搜尋磁化量210被對準於與第一搜尋方向之第二搜尋方向時所決定。第一和第二磁穿隧界面2、2'係以和第一和第二寫入資料相同的序列被寫入，如第3a至3d圖所示。
搜尋操作可進一步包含比較第一胞阻抗RC1數值和第二胞阻抗RC2數值之步驟。例如，當第一和第二寫入資料係相對應於狀態"0"時，第一胞阻抗RC1和第二胞阻抗RC2之差值△R(△R=2Rmin-2Rmax)將產生一負值，且因此產生MRAM-based TCAM胞1之一胞邏輯狀態"0"。當第一和第二寫入資料係相對應於狀態"1"時，第一胞阻抗RC1和第二胞阻抗RC2之差值△R(△R=2Rmax-2Rmin)將產生一正值，且因此產生MRAM-based TCAM胞1之一胞邏輯狀態"1"。當第一和第二寫入資料係分別相對應於狀態"0"和"1"或分別相對應於狀態"1"和"0"時，第一胞阻抗RC1和第二胞阻抗RC2之差值△R實質上為0(△R=0)，相對應於MRAM-based TCAM胞1之一胞邏輯狀態"X"(不理會)。表3係摘要第一胞阻抗RC1和第二胞阻抗RC2之差值△R，係針對不同的寫入第一磁穿隧界面2(MTJ1)之第一寫入資料和不同的寫入第二磁穿隧界面2'(MTJ2)之第二寫入資料而獲得。揭示於本文之MRAM-based TCAM胞1係允許寫入三種不同的胞邏輯狀態。
表示於第2圖之另一實施例中，MRAM-based TCAM胞1包含與電導線3連接之第二電流線4'。於第2圖之範例中，第二電流線4'係實質上平行於第一電流線4而自電導線3延伸。於此配置中，二磁穿隧界面2、2'之一可以被選擇性地定址。更特別地，加熱電流31和搜尋電流32可以選擇性地在二磁穿隧界面2、2'之一中流通。於此，選擇性地在二磁穿隧界面2、2'之一中流通加熱電流31和搜尋電流32係包含經由第二電流線4'、在第二電流線4'和二磁穿隧界面2、2'之一之間的電導線3之一部分，和相對應之搭接片7、7'而流通電流31、32。第二電流線4'可實質上平行於第一電流線4或者實質上垂直於第一電流線4或第一電流線4形成任何其他角度。根據本實施例之MRAM-based TCAM胞1與揭示於第1圖實施例之MRAM-based TCAM胞1具有較密實的結構。
具有如第2圖配置之MRAM-based TCAM胞1具有較密實之結構，但卻較第一實施例為慢。於搜尋操作過程中，具有一循序改變極性之搜尋場電流流通於
電流線中。較佳地，搜尋場電流51具有一交流變化電流，該交流變化電流係感應出具有一隨之方向變化之搜尋磁場52。
在將胞邏輯狀態"0"或"1"寫入如第2圖配置之MRAM-based TCAM胞1(意即，將具有狀態"0"或狀態"1"之第一和第二寫入資料兩者分別寫入第一和第二磁穿隧界面2、2'兩者)之寫入操作過程中可含經由電導線3和搭接片7、7'將加熱電流31流通於二磁穿隧界面2、2'中。切換第一和第二磁穿隧界面2、2'之儲存磁化量230可藉由將第一和第二場電流41、41'流通於第一電流線4來執行。特別地，一單一場電流可以流通於被使用作為一單一電流線之第一電流線4中。該單一場電流可被產生大到足以切換二磁穿隧界面2、2'中之儲存磁化量230。於此，寫入第一和第二寫入資料係同時針對第一和第二磁穿隧界面2、2'兩者而執行。
當將胞邏輯狀態"X"寫入MRAM-based TCAM胞1時(意即，將具有狀態"0"或狀態"1"或者具有狀態"1"或狀態"0"之第一和第二寫入資料分別寫入第一和第二磁穿隧界面2、2')可包含：
將加熱電流31選擇性地流通於第一磁穿隧界面2；切換第一磁穿隧界面2之儲存磁化量230為要寫入具有狀態"0"或"1"之第一寫入資料；將加熱電流31選擇性地流通於第二磁穿隧界面2'；及切換第二磁穿隧界面2'之儲存磁化量230為要寫入
具有狀態"1"或"0"之第二寫入資料。
切換第一磁穿隧界面2之儲存磁化量230之步驟可藉由將第一場電流41流通於第一電流線4來執行。切換第二磁穿隧界面2'之儲存磁化量230之步驟可藉由將第二場電流41'也流通於具有與第一電流線4之極性相反之極性的第一電流線4中來執行。或者，第一場電流41可流通於第二電流線4'中。於此，寫入第一和第二寫入資料之步驟可循序地針對於第一磁穿隧界面2和第二磁穿隧界面2'執行。
具有如第2圖配置之MRAM-based TCAM胞1之自我參照搜尋操作可包含如上述之相同步驟。對準搜尋磁化量210之步驟可藉由將搜尋電流51流通於第一電流線4中來執行為要產生搜尋磁場52。
一磁性記憶體裝置(圖未示)可藉由組裝包含複數個MRAM-based TCAM胞1之陣列而形成。MRAM-based TCAM胞1之陣列可被設置在一裝置包裝之內(圖亦未示)。
1‧‧‧磁性隨機記憶胞
2‧‧‧第一磁穿隧界面
2'‧‧‧第二磁穿隧界面
3‧‧‧電導線
4‧‧‧第一電流線
4'‧‧‧第二電流線
7‧‧‧第一導電搭接片
7'‧‧‧第二導電搭接片
8‧‧‧第一選擇電晶體
8'‧‧‧第二選擇電晶體
9‧‧‧第一場選擇電晶體
9'‧‧‧第二場選擇電晶體
31‧‧‧加熱電流
32‧‧‧搜尋電流
41‧‧‧第一場電流
41'‧‧‧第二場電流
42‧‧‧第一磁場
42'‧‧‧第二磁場
52‧‧‧搜尋磁場
Claims (15)
- 一種以自我參照磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶(MRAM-based TCAM)胞，包含：一第一和第二磁穿隧界面，每一磁穿隧界面係包含一具有一搜尋磁化量之搜尋層、一具有一儲存磁化量之儲存層及一介於該搜尋層和該儲存層之間的穿隧阻障層，該搜尋磁化量係可自由地改變，該儲存磁化量在該磁穿隧界面處於一高溫門檻值時可從一第一穏定方向切換至一第二穏定方向；一電連接該第一磁穿隧界面之一端之第一導電搭接片；一電連接該第二磁穿隧界面之一端之第二導電搭接片；一電導線，電連接該第一和第二磁穿隧界面另一端，使得該二磁穿隧界面係串聯；一用於流通一產生一第一磁場之第一場電流之第一電流線，將一第一寫入資料寫入該第一磁穿隧界面；以及一用於流通一與在該第一電流線中流通該第一場電流無關之寫入電流之第二電流線，將一第二寫入資料寫入該第二磁穿隧界面，該第二磁穿隧界面係選擇性地來自該第一寫入資料之寫入，使得三個不同的胞邏輯狀態可被寫入該以自我參照磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶胞。
- 如申請專利範圍第1項之以自我參照磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶胞，其中該寫入電流包含一產生一第二磁場之第二場電流。
- 如申請專利範圍第2項之以自我參照磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶胞，其中該寫入電流進一步包含一加熱電流，且其中該以自我參照磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶胞係排列成用於經由該電導線、該第一搭接片及該第二搭接片而將該加熱電流流通於該二磁穿隧界面，使得該二磁穿隧界面可同時在該高溫門檻值被加熱。
- 如申請專利範圍第1項之以自我參照磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶胞，其中該寫入電流包含一加熱電流且其中該第二電流線係電連接該電導線，使得該加熱電流可經由該電導線之一部分和該第二電流線選擇性地流通於每該二磁穿隧界面，使得每該二磁穿隧界面可選擇性地被加熱。
- 如申請專利範圍第4項之以自我參照磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶胞，其中該寫入電流進一步包一第二場電流且其中該以自我參照磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶胞係排列成用於在該第一電流線中流通該第二場電流。
- 一種包含複數個以自我參照磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶胞之磁性記憶體裝置，每一以自我參照磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶胞包含一第一及第二磁穿隧界面，每一磁穿隧界面係包含一具有一搜尋磁化量之搜尋層、一具有一儲存磁化量之儲存層及一介於該搜尋層和該儲存層之間的穿隧阻障層，該搜尋磁化量係可自由地改變，該儲存磁化量在該磁穿隧界面處於一高溫門檻值時可從一第一穏定方向切換至一第二穏定方向；一電連接該第一磁穿隧界面之一端之第一導電搭接片；一電連接該第二磁穿隧界面之一端之第二導電搭接片；一電導線，電連接該第一和第二磁穿隧界面之另一端，使得該二磁穿隧界面係串聯；一用於流通一產生一第一磁場之第一場電流之第一電流線，將一第一寫入資料寫入該第一磁穿隧界面；以及一用於流通一與在該第一電流線中流通該第一場電流無關之寫入電流之第二電流線，將一第二寫入資料寫入該第二磁穿隧界面，該第二磁穿隧界面係選擇性地來自該第一寫入資料之寫入，使得三個不同之胞邏輯狀態可被寫入該以自我參照磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶胞。
- 一種寫入一以自我參照磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶胞之方法，該以自我參照磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶胞包含一第一及第二磁穿隧界面，每一磁穿隧界面係 包含一具有一搜尋磁化量之搜尋層、一具有一儲存磁化量之儲存層及一介於該搜尋層和該儲存層之間的穿隧阻障層，該搜尋磁化量係可自由地改變，該儲存磁化量在該磁穿隧界面處於一高溫門檻值時可從一第一穏定方向切換至一第二穏定方向；一電連接該第一磁穿隧界面之一端之第一導電搭接片；一電連接該第二磁穿隧界面之一端之第二導電搭接片；一電導線，電連接該第一和第二磁穿隧界面之另一端，使得該二磁穿隧界面係串聯；一用於流通一產生一第一磁場之第一場電流之第一電流線，將一第一寫入資料寫入該第一磁穿隧界面；以及一用於流通一與在該第一電流線中流通該第一場電流無關之寫入電流之第二電流線，將一第二寫入資料寫入該第二磁穿隧界面，該第二磁穿隧界面係選擇性地來自該第一寫入資料之寫入，使得三個不同之胞邏輯狀態可被寫入該以自我參照磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶胞；該方法包含：選擇性地將一第一寫入資料寫入該第一磁穿隧界面且選擇性地將一第二寫入資料寫入該第二磁穿隧界面，為要將一胞邏輯狀態寫入該以自我參照磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶胞。
- 如申請專利範圍第7項之方法，其中該寫入電流包含一產生一第二磁場之第二場電流，且其中該選擇性地 將該第一和第二寫入資料分別寫入該第一和第二磁穿隧界面之步驟包含：將該第一和第二磁穿隧界面加熱至該高溫門檻值；及在該第一電流線中流通具有一第一極性之該第一場電流用以根據該第一極性切換該第一磁穿隧界面之該儲存磁化量；及在該第二電流線中流通具有一第二極性之該第二場電流用以根據該第二極性切換該第二磁穿隧界面之該儲存磁化量。
- 如申請專利範圍第8項之方法，其中該寫入電流進一步包含一加熱電流，且其中將該第一和第二磁穿隧界面加熱之步驟包含經由該電導線、該第一搭接片及該第二搭接片而將該加熱電流流通於該二磁穿隧界面。
- 如申請專利範圍第7項之方法，其中該寫入電流包含一加熱電流且其中該第二電流線係電連接該電導線；且其中該選擇性地將該第一和第二寫入資料分別寫入該第一和第二磁穿隧界面之步驟包含：選擇性地將該第一磁穿隧界面加熱至該高溫門檻值；在該第一電流線中流通具有一第一極性之該第一場電流用以根據該第一極性切換該第一磁穿隧界面之該儲存磁化量； 選擇性地將該第二磁穿隧界面加熱至該高溫門檻值；及在該第一電流線中流通具有一第二極性之一第二場電流用以根據該電流極性切換該第二磁穿隧界面之該儲存磁化量。
- 如申請專利範圍第10項之方法，其中該選擇性地將該第一磁穿隧界面加熱之步驟包含經由該第二電流線、該電導線之一第一部分及該第一搭接片而將該加熱電流流通於該一磁穿隧界面；且該選擇性地將該第二磁穿隧界面加熱之步驟包含經由該第二電流線、該電導線之一第二部分及該第二搭接片而將該加熱電流流通於該二磁穿隧界面。
- 如申請專利範圍第8項之方法，其中該第一極性係與該第二極性相同為要將一高(“1”)或一低(“0”)胞邏輯狀態寫入該以自我參照磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶胞；或者該第一極性係與該第二極性相反為要將一不理會(“X”)胞邏輯狀態寫入該以自我參照磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶胞。
- 一種搜尋以自我參照磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶胞之方法，該以自我參照磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶胞包含一第一及第二磁穿隧界面，每一磁穿隧界面係包含一具有一搜尋磁化量之搜尋層、一具有一儲存磁化量之儲存層及一介於該搜尋層和該儲存層之間的穿 隧阻障層，該搜尋磁化量係可自由地改變，該儲存磁化量在該磁穿隧界面處於一高溫門檻值時可從一第一穏定方向切換至一第二穏定方向；一電連接該第一磁穿隧界面之一端之第一導電搭接片；一電連接該第二磁穿隧界面之一端之第二導電搭接片；一電導線，電連接該第一和第二磁穿隧界面之另一端，使得該二磁穿隧界面係串聯；一用於流通一產生一第一磁場之第一場電流之第一電流線，將一第一寫入資料寫入該第一磁穿隧界面；以及一用於流通一與在該第一電流線中流通該第一場電流無關之寫入電流之第二電流線，將一第二寫入資料寫入該第二磁穿隧界面，該第二磁穿隧界面係選擇性地來自該第一寫入資料之寫入，使得三個不同之胞邏輯狀態可被寫入該以自我參照磁性隨機存取記憶體為基礎的三元內容可定址的記憶胞；該方法包含：將該第一和第二磁穿隧界面之該搜尋磁化量對準於一第一搜尋方向；量測第一胞阻抗；將該第一和第二磁穿隧界面之該搜尋磁化量對準於一第二搜尋方向；量測第二胞阻抗；及藉由該第一和第二胞阻抗之差值決定該胞邏輯狀態。
- 如申請專利範圍第13項之方法，其中 該將該搜尋磁化量對準於一第一搜尋方向之步驟包含將一具有一第一極性之搜尋電流流通於該第一電流線和/或該第二電流線中，且其中該將該搜尋磁化量對準於一第二搜尋方向之步驟包含將具有一與該第一極性相反之第二極性之該搜尋電流流通於該第一電流線和/或該第二電流線中。
- 如申請專利範圍第13項之方法，其中該等量測第一和第二胞阻抗之步驟包含經由該電導線及該第一和第二搭接片而將一搜尋電流流通於該第一和第二磁穿隧界面。
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