[发明专利]一种使用MRAM的存储装置

说明书

本发明提供了一种使用MRAM的存储装置，包括主存储器、主控制器、第一辅助存储器，主控制器内集成第二辅助存储器和搜索加速器；第一辅助存储器和第二辅助存储器都是非易失的随机读写存储器，搜索加速器用于控制内容寻址操作以便加速搜索第二辅助存储器中的数据。主存储器选用NAND闪存，第一辅助存储器是独立的MRAM芯片，第二辅助存储器是MRAM。主控制器内集成的第二辅助存储器分成多个存储空间，主控制器内集成多个搜索加速器，每个搜索加速器负责检索一个存储空间。本发明提出的这种使用在控制芯片内置MRAM、外置MRAM与闪存的混合式存储装置，是一个费效比很高的存储解决方案。

技术领域

本发明涉及一种存储装置，具体涉及一种使用MRAM的存储装置，属于半导体芯片技术领域。

背景技术

MRAM是一种新的内存和存储技术，可以像SRAM/DRAM一样快速随机读写，还可以像Flash闪存一样在断电后永久保留数据。它的经济性相当地好，单位容量占用的硅片面积比SRAM有很大的优势，比在此类芯片中经常使用的NOR Flash也有优势，比嵌入式NOR Flash的优势更大。它的性能也相当好，读写时延接近最好的SRAM，功耗则在各种内存和存储技术最优。而且MRAM不像DRAM以及Flash那样与标准CMOS半导体工艺不兼容，MRAM可以和逻辑电路集成到一个芯片中。

MRAM的原理，是基于一个叫做MTJ(磁性隧道结)的结构。它是由两层铁磁性材料夹着一层非常薄的非铁磁绝缘材料组成的，如图1和图2所示。下面的一层铁磁材料是具有固定磁化方向的参考层13，上面的铁磁材料是可变磁化方向的记忆层11，记忆层11的磁化方向可以和参考层13相平行或反平行。由于量子物理的效应，电流可以穿过中间的隧道势垒层12，但是MTJ的电阻和可变磁化层的磁化方向有关。记忆层11和参考层13的磁化方向相平行时电阻低，如图1；反平行时电阻高，如图2。读取MRAM的过程就是对MTJ的电阻进行测量。使用比较新的STT-MRAM技术，写MRAM也比较简单：使用比读更强的电流穿过MTJ进行写操作。一个自下而上的电流把可变磁化层置成与固定层反平行的方向。自上而下的电流把它置成平行的方向。

每个MRAM的存储单元由一个磁性隧道结和一个NMOS选择管组成。每个存储单元需要连接三根线：NMOS选择管的栅极连接到芯片的字线(Word Line)32，负责接通或切断这个单元；NMOS选择管的一极连在源极线(Source Line)33上，NMOS选择管的另一极和磁性隧道结34的一极相连，磁性隧道结34的另一极连在位线(Bit Line)31上，如图3所示。一个MRAM芯片由一个或多个MRAM存储单元的阵列组成，每个阵列有若干外部电路：行地址解码器，用于把收到的地址变成字线的选择；列地址解码器，用于把收到的地址变成位线的选择；读写控制器，用于控制位线上的读(测量)写(加电流)操作；输入输出控制，用于和外部交换数据。

当前，NAND闪存技术的发展推动了SSD(固态硬盘)产业。SSD与主机之间使用高速串行接口如SATA，PICe等技术。内部由用于存储数据的一组NAND芯片，用于支持计算和缓存数据的DDR DRAM(内存)，以及一个主控芯片(SSD Controller)组成，NAND中还存储逻辑地址与物理地址对照表。有时候还需要断电保护系统。

NAND是一种整块读写的存储设备，最小可读取的单元叫页(page)，最小可擦除的单元叫块(block)，一个块往往由很多页组成，块擦除后里面的页可以进行单独的写入操作。写入操作很慢，比读取慢得多，而擦除操作又比写入更加慢得多。

大部分NAND芯片要求，在一个块被擦除后，其页必须按顺序写入。一个块的相邻页写入之间，写另外块的页，则是允许的。

由于擦写NAND非常费时，特别是重新写入整个block的内容。NAND芯片以及由其组成的存储系统，通常采用多通道平行写入提高系统的总写入带宽。一个存储装置中可能有很多NAND芯片，每一个芯片内常常封装了多个硅片，每个硅片有不同的Plane，每个Plane都是独立的通道，可以平行的写入。