零待机功耗的内容可寻址存储器

在存储器与逻辑电路（比较电路）融为一体的内容可寻址存储器（CAM）方面，NEC和日本东北大学全球首次开发出了与原有CAM保持同等处理速度、切断电源后仍能保存数据的非易失化技术（图1）。CAM的每个bit都拥有比较电路，能快速找出与输入字符一致的数据存储地址，并返回该地址。在CPU等的SoC（System on a Chip）内，CAM被用于转换内存地址。



NEC和日本东北大学试制的非易失型CAM

采用该技术，无需牺牲启动时间，即可将CAM的待机功耗降为零＊1。并且，有利于实现即使待机功耗为零、再接通电源时也能够瞬间启用的电子产品。

NEC计划3～4年后使该技术达到实用水平。由于元件采用不同于以往的材料，因此确立工艺技术是目前面临的课题。

现在，各种电子产品的待机功耗都很大。比如：台式电脑在睡眠状态下，会消耗约2.4W电力。42英寸的液晶电视在高速启动模式下，待机功耗高达约18W。

这是因为现在的电子产品为了缩短启动时间，必须保持内部电路的通电状态。比如，原来在切断电源时CPU会丢失内部信息，因此在断电时必须将信息转移到外部存储装置，而再通电时，必须重新读入这些信息。如果将新开发的CAM应用于CPU，则无需从外部存储装置重新读入信息，因此能够缩短启动时间。当然，CPU中除CAM以外，还配备有存储器和运算电路等，因此要想将整个系统LSI的待机功耗降为零，那么这些部件均实现非易失化也至关重要。

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磁化方向随磁壁位置而改变

NEC和日本东北大学为实现CAM非易失化采用的是垂直磁壁元件。这是使磁化与电流垂直，优化了结构和材料的元件。如图2所示，该元件由钴镍（Co-Ni）叠层膜构成的磁性体层（自由层）和钴铂（Co-Pt）叠层膜构成的强力磁铁（引脚层）组成。



垂直磁壁元件和存储机制

为使自由层两端的磁化方向相反，用引脚层固定，因此中途会形成磁化方向由向上变成向下的壁（磁壁）。写入电流通过时，该磁壁的位置移至电流上流（电子流的下游）。

电流沿着长度方向在自由层内部流动。在电流流入流出的自由层两端的下部配置引脚层，将自由层两端的磁化方向一端向上固定，另一端向下固定。

从微观来看，这时的自由层磁化方向就是Co-Ni叠层膜的不成对电子的自旋方向。因此，电子在自由层内从磁化方向向上侧向向下侧流动时，新流入自由层的电子向上自旋。

同时，该电子将向上自旋的原有不成对电子挤向下游。该不成对电子进一步将下游的不成对电子挤向下游，不成对电子就像台球一样依次传向下游。

结果，自由层内磁化方向突变的磁壁的位置也向电子流的下游（电流的上流）移动。从而使得自由层长度方向中央部的磁化方向向上（信息“0”），改变电流方向时，磁化方向就变成向下（信息“1”）。

这样，垂直磁壁元件就能够根据电流（写入电流）方向来移动磁壁的位置。由于磁壁的位置一直保持到下次写入电流通过，因此即使切断电源也能够保存信息。

靠外配置MTJ元件

在这项新技术中，用于读取所存储的磁化方向的是磁性隧道结（MTJ）元件。该元件由读取引脚层、绝缘体通道膜和读取自由层构成。读取引脚层和读取自由层的磁化方向相同，电阻就会减小，反之，电阻就会增大。

如图所示，将MTJ元件配置在垂直磁壁元件的长边中央部分的上方。这样，垂直磁壁元件中央部分的磁化方向向上时，就会使读取自由层发生向外的磁化，元件中央部分的磁化方向向下时，就会发生向内的磁化。由于读取引脚层的磁化方向是固定向外的，因此垂直磁壁元件自由层中央部的磁化向上时，MTJ元件的电阻就会减小，向下时，电阻就会增大。



读取机制

垂直磁壁元件中央部的磁化方向向上时，读取MTJ元件的读取自由层的磁化方向向外，元件中央部的磁化方向向下时，读取MTJ元件的读取自由层的磁化方向向内。由于读取引脚层的磁化方向是固定向外的，因此读取MTJ元件的电阻值在磁化方向向上时减小，在磁化方向向下时增大。

实际上，是采用图4所示的电路向垂直磁壁元件写入和通过MTJ元件来读取的。将两个垂直磁壁元件串联，同时进行写入，以在一个写入电流下使两个垂直磁壁元件的磁化方向相反。



写入和读取用电路

一个特点是两个垂直磁壁元件串联，同时进行写入，以在一种写入电流下使两个垂直磁壁元件的磁化方向相反。另一个特点是分离了写入电流和读取电流的通道。

根据这些MTJ元件读取电流的大小可以辨别出所存储的信息是1还是0。如果用绝对值检测电流，则需要复杂的电路，而利用该方法只需要比较大小，因此用简单的电路即可。

另外，由于分离了写入电流和读取电流的两个通道，因此不用担心从写入转为读取时，电流会流过读取电流的通道，无需等待即可开始读取工作。这样，周期为5ns时，便实现了与使用原有CMOS晶体管的CAM同等的处理速度＊2。另外，通过共用垂直磁壁元件的写入晶体管，面积比原来的CAM减半。耗电量为9.4mW。（日经BP社 记者：富冈恒宪）

这种情况下的周期是指从输入要检索的字符到检索出结果的时间。