JP4426876B2

JP4426876B2 - 磁気連想メモリ及び磁気連想メモリからの情報読み出し方法

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Publication number: JP4426876B2
Application number: JP2004066147A
Authority: JP
Inventors: 公秀松山; 幸雄能崎
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-09
Filing date: 2004-03-09
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2024-03-09
Also published as: JP2005259206A

Description

本発明は、磁気連想メモリ及び磁気連想メモリからの情報読み出し方法に関するものである。

不揮発特性と高集積化特性を有する磁気連想メモリは、電力消費に制限がある環境下で動画や音声などの大容量情報に対する高速な認識処理を行う次のような分野への利用が見込まれる。

・ロボティクス産業における視覚、聴覚等の認識技術分野
・自動車産業で自立型自動運転を実現するために不可欠な画像処理メモリ分野（衝突防止機能）
・ノイズやデータ欠損がある曖昧な画像データを処理する情報処理分野（指紋検出技術）
・携帯カメラ，携帯オーディオ機器，携帯情報端末，ウェアラブルコンピュータ（ユビキタス情報環境技術）等のモバイル分野
従来の連想メモリ（ＣＡＭ）は、ＣＭＯＳを多数組合せた複雑な回路構成を有しているため、高集積化が難しい。従来のＣＭＯＳ，ＤＲＡＭ，ＳＲＡＭなどの半導体デバイス集積化技術を用いた連想メモリ（ＣＡＭ）の研究に関しては、非特許文献４乃至６に記載されている。

また高速動作を目的としたＣＡＭの場合、ＳＲＡＭに記憶データ群を蓄積するため、電源を切ると情報が消失してしまう。

一方、不揮発かつ高集積化が可能な次世代メモリとして磁気抵抗効果を有する磁性体セルを集積した磁性ランダムアクセスメモリ（ＭａｇｎｅｔｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ：ＭＲＡＭ）が注目を集めている。従来のＭＲＡＭの技術［ＭＲＡＭセルを用いた論理演算デバイスに関する研究］に関しては、非特許文献５乃至７に記載されている。
Ｓ．Ａｒａｇａｋｉｅｔａｌ．， "Ａｈｉｇｈ−ｄｅｎｓｉｔｙｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｖａｌｕｅｄｃｏｎｔｅｎｔ−ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅｍｅｍｏｒｙｂａｓｅｄｏｎｏｎｅｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｃｅｌｌ"，ＩＥＩＣＥＴｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，Ｅ７６−Ｃ（１９９３）１６４９．」Ｔ．Ｙａｍａｇｉｔａｅｔａｌ．， "Ａｂｉｔｌｉｎｅｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔｓｃｈｅｍｅａｎｄｒｅｄｕｎｄａｎｃｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒｈｉｇｈ−ｄｅｎｓｉｔｙｄｙｎａｍｉｃｃｏｎｔｅｎｔａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅｍｅｍｏｒｉｅｓ"，ＩＥＩＣＥＴｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，Ｅ７６−Ｃ（１９９３）１６５７．Ｈ．Ｋｉｍｕｒａｅｔａｌ．， "ＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａＤＲＡＭ−ｃｅｌｌ−ｂａｓｅｄｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｖａｌｕｅｄｌｏｇｉｃ−ｉｎ−ｍｅｍｏｒｙｃｉｒｃｕｉｔ"，ＩＥＩＣＥＴｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，Ｅ８５−Ｃ（２００２）１８１４．Ｋ．Ｔａｍａｒｕ， "Ｔｈｅｔｒｅｎｄｏｆｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｍｅｍｏｒｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ"，ＩＥＩＣＥＴｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，Ｅ７６−Ｃ（１９９３）１５４５．Ｗ．Ｃ．Ｂｌａｃｋ，Ｊｒ．ｅｔａｌ．， "Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｌｏｇｉｃｕｓｉｎｇｇｉａｎｔ−ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｓｐｉｎ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｔｕｎｎｅｌｉｎｇｄｅｖｉｃｅｓ"，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８７（２０００）６６７４．Ｒ．Ｒｉｃｈｔｅｒｅｔａｌ．， "Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅｆｉｅｌｄｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｓｐｉｎ−ｌｏｇｉｃｆｏｒｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅｃｏｍｐｕｔｉｎｇ"，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８０（２００２）１２９１．Ａ．Ｔ．Ｈａｎｂｉｃｋｉｅｔａｌ．， "Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅｒｅｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｌｏｇｉｃｅｌｅｍｅｎｔｓｕｓｉｎｇｈｙｂｒｉｄｒｅｓｏｎａｎｔｔｕｎｎｅｌｉｎｇｄｉｏｄｅ−ｇｉａｎｔｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃｉｒｃｕｉｔｓ"，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７９（２００１）１１９０．

従来の磁気連想メモリは、強磁性体の磁化方向を情報担体としているため、記憶情報が不揮発であり実用上無制限の繰り返し書込みが可能である。ＭＲＡＭ記憶セルによりＣＡＭを構成する技術も報告されているが、その機能動作は各記憶セルに対して個別にアクセスする方式であるため、本質的に高速動作が困難であり、導体電流磁界のごく一部しか機能動作に供されていないため、エネルギー利用効率が悪く実用化に際しての大きな障害となっている。

本発明の目的は、不揮発特性と高集積化特性を有する磁気連想メモリを提供することにある。

本発明の他の目的は、高速での読み取りが可能な磁気連想メモリ及び該メモリからの読み取り方法を提供することにある。

本発明の磁気連想メモリは、列方向に並ぶ複数のデジット導電線と、行方向に並ぶ複数のビット導電線とが相互に電気的に絶縁された状態でマトリックスを構成するように配置されてなる導電線マトリックスと、導電線マトリックス中のデジット導電線とビット導電線との交点に対応する位置にそれぞれ１個ずつ配置された複数の擬スピンバルブ膜セルとを備えている。なお本願明細書において、列方向及び行方向は、便宜的に定めたものであって、権利範囲の解釈においては、交差する２種類の導電線の一方及び他方と解釈することができる。また導電線マトリックスを構成するデジット導電線と複数のビット導電線とは、必ずしも直交している必要はない。また擬スピンバルブ膜セルは、導電性を有する非磁性層を間に介して対向する磁化反転磁界の小さい少なくとも一層のソフト磁性層と磁化反転磁界が大きい少なくとも一層のハード磁性層とから構成される。ハード磁性層の磁化の向きは、デジット導電線及びビット導電線に電流を流して発生する磁界により決定する。またソフト磁性層の磁化の向きは、ビット導電線に電流を流して発生する磁界によって決定する。なおソフト磁性層は、ビット導電線から加わる磁界によって磁化方向が変わるものであればその構成はいかなる構成であってもよく、複数層によって構成されていてもよい。またハード磁性層は、ビット導電線とデジット導電線とから加わる磁界によって磁化方向が変わるものであれば、その構成は複数層によって構成されてもよい。

本発明においては、列方向に並ぶ複数の擬スピンバルブ膜セルの抵抗を、検出用導電線により電気的に直列接続して複数の記憶セル列を構成する。そして複数のビット導電線のそれぞれを検索データ入力線として用い、複数の検出用導電線を情報読み出し用出力線として用いる。

なおソフト磁性層はNiFeから構成することができ、また非磁性層はCuによって構成することができ、さらにハード磁性層はCoFeによって構成することができる。またソフト磁性層をNiFeから構成し、非磁性層をCuによって構成し、ハード磁性層をNiFeによって構成することができる。さらにソフト磁性層をCoFeから構成し、非磁性層をCuによって構成し、ハード磁性層をCoFeによって構成してもよい。

本発明の磁気連想メモリ内の複数の記憶セル列に記憶された情報を読み出す磁気連想メモリからの情報読み出し方法にあっては、次のようにするのが好ましい。複数のビット導電線の電位を検索データ列に対応した電位として、複数の記憶セル列をそれぞれ構成する複数の擬スピンバルブ膜セルのソフト磁性層に検索データ列を転写する。そして転写後に複数の記憶セル列の検出用導電線の出力部にそれぞれ現れる記憶セル列に含まれる複数の擬スピンバルブ膜セルの磁気抵抗変化に基づく電圧の変化を、検索データ列と記憶セル列のハード磁性層に記憶されているデータ列とのハミング距離として複数の記憶セル列に記憶された情報を読み出す。ハミング距離とは、検索データ列と記憶セル列のハード磁性層に記憶されているデータ列との近似度に相当するものである。例えば、検索データ列と記憶セル列のハード磁性層に記憶されているデータ列とが同じであれば、ハミング距離は０である。検索データ列と記憶セル列のハード磁性層に記憶されているデータ列とを比較したときに１つの擬スピンバルブ膜セルのハード磁性層に記憶されているデータが異なる場合には、ハミング距離はΔＲである。なおΔＲは１つの擬スピンバルブ膜セルの磁気抵抗変化分である。

本発明によれば、磁気連想メモリの記憶セルとしてＭＲＡＭなどの磁気メモリデバイスに用いられる擬スピンバルブ膜セルを利用することにより、連想メモリの不揮発化、大容量化を同時に実現することができる。また、複数の記憶セル列に対して同時に磁界印加できるようにデバイス設計がなされることにより、消費電力を増加させることなく並列演算数（演算速度）を飛躍的に増加させることが可能となる。

以下図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１に示すように、磁気連想メモリの１つの記憶セル１は、磁化反転磁界の小さなソフト磁性層３と比較的大きなハード磁性層５とを導電性を有する非磁性層４で分離した擬スピンバルブ膜セルによって形成されている。図２に示すように、磁気連想メモリは、列方向に並ぶ複数のデジット導電線７と、行方向に並ぶ複数のビット導電線９とが相互に電気的に絶縁された状態でマトリックスを構成するように配置されてなる導電線マトリックス（この例では直交導体線マトリックス）を備えている。そして導電線マトリックス中のデジット導電線７とビット導電線９との交点に対応する位置にそれぞれ１個ずつ擬スピンバルブ膜セルからなる記憶セル１が配置されている。

記憶セル１の電気抵抗（磁気抵抗）は、巨大磁気抵抗効果によりソフト磁性層３とハード磁性層５の磁化の向きが平行な場合に比べて、ソフト磁性層３とハード磁性層５の磁化の向きが反平行な場合には、約十数％増加する。ソフト磁性層３の磁化方向は、ビット導電線９の電流Ｉｗによって発生する磁界のみにより変わる。またハード磁性層５の磁化方向は、ビット導電線９を流れる電流Ｉｗによって発生する磁界と、デジット導電線７を流れる電流Ｉａによって発生する磁界とを同時に記憶セル１に印加することにより反転できるように記憶セル材料（ソフト磁性層３、非磁性層４及びハード磁性層５の材料）及び電流強度を設計してある。具体的には、ソフト磁性層３をNiFeから構成し、また非磁性層４をCuによって構成し、さらにハード磁性層５はCoFeによって構成することができる。またソフト磁性層３をNiFeから構成し、非磁性層４をCuによって構成し、ハード磁性層５をNiFeによって構成することができる。さらにソフト磁性層３をCoFeから構成し、非磁性層４をCuによって構成し、ハード磁性層５をCoFeによって構成してもよい。このような記憶セル１の抵抗を図３に示すようにセンス線と呼ばれる検出用導電線（情報読み出し用出力線）１１Ａ〜１１Ｃを介して電気的に直列接続して１つの記憶セル列１３Ａ〜１３Ｃを構成している（実際には多数の記憶セルがある）。そして複数の記憶セル列を並列に並べて磁気連想メモリを構成する。なおこの磁気連想メモリでは、複数のビット導電線９をそれぞれ検索データ入力線として利用する。

この磁気連想メモリでは、各記憶セル１のソフト磁性層３の磁化の向きを検索データの１，０に対応させており、各記憶セル１のハード磁性層５の磁化の向きを記憶データの１，０にそれぞれ対応させている。したがって、記憶データと検索データとが一致する場合は、記憶セル１の磁気抵抗は低抵抗状態となり、記憶データと検索データとが異なる場合には記憶セル１の磁気抵抗は高抵抗状態となる。

このように磁気連想メモリの記憶セルとしてＭＲＡＭなどの磁気メモリデバイスに用いられる擬スピンバルブ膜セルを利用することにより、連想メモリの不揮発化、大容量化を同時に実現する。また、導電マトリックスの交点に対応して（具体的には２つの導電線７及び９の交点の直下または直上に）配置した多数の記憶セルに対して同時に磁界を印加できるようにデバイス設計を行うことにより、消費電力を増加させることなく並列演算数を飛躍的に増加させることが可能となる。

次に、この磁気連想メモリから記憶した情報を読み出す方法について説明する。まず、ビット導電線９及びデジット導電線７にそれぞれ電流を流して電流一致選択方式により、あらかじめ記憶セル１ａから１ｉのハード磁性層５にそれぞれ任意の情報を記憶させる。ここで電流一致選択方式とは、ビット導電線９に流れる電流Ｉｗとデジット導電線７に流れる電流Ｉａとが一致するときと異なるときとで、ハード磁性層５の磁化方向が変わる磁化方向選択方式を意味する。

図３の場合には、記憶セル列１３Ａ〜１３Ｃを構成する記憶セル１ａ〜１ｃ、１ｄ〜１ｆ及び１ｈのハード磁性層には、それぞれ（１，０，０），（１，０，１），（０，１，１）の３種類の３ｂｉｔデータが入力されているものとする。データを記憶させたときには、図３に示すようにハード磁性層５の磁化方向とソフト磁性層３の磁化方向とは一致している。すなわちデータを入力した状態では、記憶セル列１３Ａのソフト磁性層とハード磁性層の磁化方向は、それぞれ（１，１）（０，０）（１，１）の関係にある。また記憶セル列１３Ｂのソフト磁性層とハード磁性層の磁化方向は、それぞれ（１，１）（０，０）（１，１）の関係にある。さらに記憶セル列１３Ｃのソフト磁性層とハード磁性層の磁化方向は、それぞれ（０，０）（１，１）（１，１）の関係にある。

データの検索を行う場合について説明する。例えば、記憶セル列のハード磁性層５に（１，０，１）のデータが記憶されているものを検索する場合には、ビット導電線９Ａ〜９Ｃに印加する電位を図示の矢印の方向に電流が流れるように定める。すなわち検索したいデータが１の場合にはビット導電線９Ａ及び９Ｃの電位を＋として図示の矢印の方向に電流（この例では＋方向の電流と言う）を流し、検索したいデータが０の場合にはビット導電線９Ｂの電位を−として図示の矢印の方向に電流（この例では−方向の電流と言う）を流す。このようにすると各記憶セルのソフト磁性層３の磁化方向は、電流の向きによって生じる磁界に応じた方向に磁化される。このことを本願明細書においては、転写と言う。ビット導電線９Ａを＋電位にして電流を流した場合、ビット導電線９Ａに対応する記憶セル１ａ，１ｄ及び１ｇのうち、転写により記憶セル１ｇのソフト磁性層だけが磁化方向を反転する。その結果記憶セル１ｇのソフト磁性層の磁化方向とハード磁性層の磁化方向とが不一致となり、記憶セル１ｇの磁気抵抗がΔＲ増大する。またビット導電線９Ｂに対応する記憶セル１ｂ，１ｅ及び１ｆのうち、記憶セル１ｈのソフト磁性層だけが転写により磁化方向を反転する。その結果、記憶セル１ｇのソフト磁性層の磁化方向とハード磁性層の磁化方向とが不一致となり、記憶セル１ｇの磁気抵抗がΔＲ増大する。更にビット導電線９Ｃに対応する記憶セル１ｃ，１ｆ及び１ｉのうち、記憶セル１ｃのソフト磁性層だけが転写により磁化方向を反転する。その結果、記憶セル１ｃのソフト磁性層の磁化方向とハード磁性層の磁化方向とが不一致となり、記憶セル１ｃの磁気抵抗がΔＲ増大する。このような転写動作によりソフト磁性層の磁化方向が反転する記憶セルを含んだ記憶セル列の検出用導電線（情報読み出し用出力線）１１Ａ及び１１Ｃの電位または抵抗値は変化する。図４に示すように、この例では、検出用導電線（情報読み出し用出力線）１１Ａの抵抗値がΔＲ分増大し、検出用導電線（情報読み出し用出力線）１１Ｃの抵抗値が２ΔＲ分増大する。このように本実施の形態では、ソフト磁性層とハード磁性層とが不一致ビットになる記憶セルは、高抵抗状態となるので、複数の記憶セルを直列接続した記憶セル列は不一致ビットの数、すなわち後述するハミング距離に比例した大きさの抵抗増加を示す。本実施の形態の磁気連想メモリの特徴は、記憶データが不揮発であるとともに、導体電流磁界の並列印加特性を利用して一対多数のハミング距離演算を同時に行うことができる点にある。

本願明細書では、検索前の各記憶セル列の検出用導電線（情報読み出し用出力線）の電圧または抵抗値と、検索後の各記憶セル列の検出用導電線（情報読み出し用出力線）の電圧または抵抗値との相対的な差を、ハミング距離と呼ぶ。このハミング距離が０であれば、検索データと記憶データとが一致していることを意味し、ハミング距離が大きくなるほど、検索データと記憶データとの相違が大ききこと、すなわち類似度が小さくなることを意味する。ハミング距離の利用方法については、公知の利用方法を用いれば、その利用形態は限定されるものではない。

具体的に使用可能な擬スピンバルブ膜セル材料は、ソフト磁性層をＦｅ_２１Ｃｏ_７９（３ｎｍ〜４ｎｍ）で形成し、また非磁化層をＣｕ（４ｎｍ〜５ｎｍ）として、ハード磁化層をＦｅ_２７Ｃｏ_７３（４ｎｍ〜５ｎｍ）として形成することができる。そしてデジット導電線，ビット導電線及び検出用導電線はＣｕ（０．４μｍ〜０．６μｍ）で形成し、擬スピンバルブ膜セル材料の上に熱処理高分子膜で形成した絶縁層（０．６μｍ〜０．８μｍ）を介してビット導電線及びデジット導電線を順次マトリックス状に形成する。このようにして作成した具体的な擬スピンバルブ膜セル材料を用いて形成した磁気連想メモリでは、７〜１０ｍＡの電流をビット導電線とデジット導電線に流すことにより、ハード磁性層の記録情報を反映した両極性の電圧出力が得られることが確認された。また転写の際にも７〜１０ｍＡの電流を電流をビット導電線に流せばソフト磁性層の磁化方向を反転できることが確認された。

画像認識技術やロボティクス技術等の分野では連想記憶機能が渇望されているが、実際の応用の場においては多種多様な認識機能が必要とされ、かつバッテリーによる駆動が想定されているため、連想メモリの大容量・低消費電力化が大きな課題とされている。本発明の磁気連想メモリは、従来の連想メモリには無い不揮発特性と高集積化特性を実現できるメモリである。したがって、記憶保持に電力を必要としないため、必要とするときだけ電源を供給し（ノーマリー・オフ機能）、かつ電源を入れて瞬時に起動させる（インスタント・オン機能）ことが可能となり、大幅な動作消費電力低減効果が期待できる。また、電流磁界の並列印加特性を利用することにより、従来の連想メモリに比べて大幅な並列演算数の向上が見込めることから、大容量データ間の比較・連想を必要とする諸分野への貢献は大きいと考えられる。

本実施の形態の磁気連想メモリで用いる擬スピンバルブ膜セルの構成を説明するために用いる斜視図である。本実施の形態の磁気連想メモリの書き込みに用いる導電性マトリックスと記憶セルとの関係を説明するために用いる斜視図である。本実施の形態の磁気連想メモリへの構成を説明するために用いる斜視図である。本実施の形態の磁気連想メモリからのデータの読み出し方法を説明するために用いる図である。

１記憶セル
３ソフト磁性層
４非磁性層
５ハード磁性層
７デジット導電線
９ビット導電線
１１Ａ〜１１Ｃ検出用導電線（情報読み出し用出力線）

Claims

列方向に並ぶ複数のデジット導電線と、行方向に並ぶ複数のビット導電線とが相互に電気的に絶縁された状態でマトリックスを構成するように配置されてなる導電線マトリックスと、
前記導電線マトリックス中の前記デジット導電線と前記ビット導電線との交点に対応する位置にそれぞれ１個ずつ配置された複数の擬スピンバルブ膜セルとを備え、
前記擬スピンバルブ膜セルが導電性を有する非磁性層を間に介して対向する磁化反転磁界の小さい少なくとも一層のソフト磁性層と前記磁化反転磁界が大きい少なくとも一層のハード磁性層とから構成され、
前記ハード磁性層の磁化の向きを前記デジット導電線及び前記ビット導電線に電流を流して発生する磁界により決定し、
前記ソフト磁性層の磁化の向きを前記ビット導電線に電流を流して発生する磁界によって決定するように構成された磁気連想メモリであって、
前記列方向に並ぶ複数の前記擬スピンバルブ膜セルの抵抗が検出用導電線により電気的に直列接続されて複数の記憶セル列が構成され、
前記複数のビット導電線のそれぞれが検索データ入力線として用いられ、複数の前記検出用導電線が情報読み出し用出力線として用いられることを特徴とする磁気連想メモリ。
前記ソフト磁性層はNiFeから構成され、前記非磁性層はCuによって構成され、前記ハード磁性層はCoFeによって構成されている請求項１に記載の磁気連想メモリ。
前記ソフト磁性層はNiFeから構成され、前記非磁性層はCuによって構成され、前記ハード磁性層はNiFeによって構成されている請求項１に記載の磁気連想メモリ。
前記ソフト磁性層はCoFeから構成され、前記非磁性層はCuによって構成され、前記ハード磁性層はCoFeによって構成されている請求項１に記載の磁気連想メモリ。
前記請求項１乃至４のいずれか１つに記載の磁気連想メモリ内の前記複数の記憶セル列に記憶された情報を読み出す磁気連想メモリからの情報読み出し方法であって、
前記複数のビット導電線の電位を検索データ列に対応した電位として、前記複数の記憶セル列をそれぞれ構成する前記複数の擬スピンバルブ膜セルの前記ソフト磁性層に前記検索データ列を転写し、
前記転写後に前記複数の記憶セル列の前記検出用導電線の出力部にそれぞれ現れる前記記憶セル列に含まれる前記複数の擬スピンバルブ膜セルの磁気抵抗変化に基づく電圧の変化を、前記検索データ列と前記記憶セル列の前記ハード磁性層に記憶されているデータ列とのハミング距離として前記複数の記憶セル列に記憶された情報を読み出すことを特徴とする磁気連想メモリからの情報読み出し方法。