NEC日本东北大学共同开发出非易失化技术

据NEC官方消息透露，目前他们联合日本东北大学在存储器与逻辑电路融为一体的内容可寻址存储器CAM方面取得重大突破，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。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新型CAM试验品

 

       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。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。

 

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。 

 

垂直磁壁原件和存储机制

 

       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。 

 

　　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

 

　　实际上，是采用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。 

 

 

写入和读取电路

 

　　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。