Для улучшения характеристик магниторезистивных ОЗУ запись информации методом спин-транспортного перемагничивания (СТП) выгодней комбинировать с вертикальным намагничиванием ферромагнитных слоев. Структура ячейки памяти (МРОЗУ) с вертикальным намагничиванием и с записью информации методом СТП показана на рис. 2.1. Пусть сначала "свободный" (запоминающий) ферромагнитный элемент (СФЭ) намагничен вниз, и электрическое сопротивление магниторезистивной ячейки велико (состояние "1"). Если сквозь ячейку пропустить электрический ток Із0, превышающий критическую величину ІК0 ( рис. 2.1.a), то электроны, выходящие из "фиксированного" ферромагнитного элемента (ФФЭ), переносят вверх магнитный момент, ориентированный вверх. И СФЭ перемагничивается в состояние "0". При достаточной силе тока это может произойти за время порядка 1 нс. Достигнуто и рекордное время СТП 100 пс. Если ток Із0 пропускать сквозь ячейку в состоянии "0", то состояние ячейки не изменится, так как магнитные моменты в СФЭ уже ориентированы вверх.
Для записи "1" в ячейку, которая находится в состоянии "0", сквозь нее пропускают ток Із1 (рис. 2.1.б). Электроны, которые в этом случае выходят из электрода Эл1, имеют магнитные моменты, ориентированные как вверх, так и вниз. Электроны с магнитным моментом, ориентированным вверх, легко проходят сквозь туннельный переход (ТП), а электроны с магнитным моментом, ориентированным вниз, накапливаются. И если их концентрация становится достаточной, ВФЭ перемагничивается в состояние "1". Пропускание тока записи "1" (Із1) сквозь ячейку, которая уже находится в состоянии "1", не изменяет состояние ячейки.
(рис 2.1) . Структура ячейки памяти МРОЗУ 2-го поколения. (а) Запись "0" и (б) запись "1" методом СТП; (в) зависимость электрического сопротивления магниторезистивной ячейки от величины тока сквозь нее; (г) поперечный срез магниторезистивной запоминающей ячейки (снимок в АСМ)
На рис. 2.1.в показана зависимость электрического сопротивления магниторезистивной ячейки от величины пропускаемого сквозь нее электрического тока. Зависимость эта асимметрична потому, что для перемагничивания в состояние "1" используются электроны с ориентированным вверх магнитным моментом, которые составляют большинство в ФФЭ, а для перемагничивания в состояние "0" используются электроны с ориентированным вниз магнитным моментом, которые составляют меньшинство в СФЭ. Поэтому критический ток ІК1 перемагничивания в состояние "1" в несколько раз больше, чем критический ток ІК0 перемагничивания в состояние "0".
На рис. 2.1.г показана нанофотография в атомном силовом микроскопе поперечного среза ячейки современной магниторезистивной памяти с вертикальной намагниченностью и записью информации методом СТП.
Критический ток, требуемый для перемагничивания методом СТП, быстро уменьшается с уменьшением размеров ячейки. Уже при размерах ячейки меньше 300 нм он становится меньше электрического тока, который надо подавать в адресную и разрядную шины для перемагничивания запоминающего элемента суммарным магнитным полем указанных токов. Поэтому МРОЗУ стали первыми промышленными изделиями, в которых уже широко используют метод СТП.
На рис. 2.1.в серым прямоугольником выделена область тех значений тока, которые используют для считывания информации из ячейки памяти. Это – совсем малые токи, достаточные для определения того, большое или малое сопротивление имеет ячейка, но явно недостаточные для ее перемагничивания.
Переход к вертикальной намагниченности и к записи информации методом СТП позволил значительно уменьшить площадь отдельных ячеек памяти и соответственно увеличить объем информации в одном кристалле (чипе); благодаря возможности параллельной записи слова значительно сократить время записи, а также уменьшить затраты энергии на запись до величины порядка 1 пДж/бит.
МРОЗУ с записью информации методом СТП считают "2-м поколением" магниторезистивной памяти. В англоязычных публикациях их называют STT MRAM (spin-torque-transfer MRAM), а еще более новые варианты, где, кроме метода СТП, используют также кратковременное локальное нагревание ячейки памяти во время записи, называют STT+ТА MRAM (STT + Thermally assisted MRAM) или ТА+STT MRAM. Показано, что размер ячейки такой памяти можно уменьшать вплоть до 10 нм, так что площадь ячейки определяется только ключевым транзистором. А время считывания информации в ультрабыстрых вариантах МРОЗУ доведено уже до 300 пс.
Разработаны также варианты быстрой магниторезистивной кэш-памяти. Магниторезистивная память со скоростью считывания и записи порядка 0,5-1 нс стала уже настолько перспективной, что российская компания РОСНАНО создает у себя совместное предприятие для выпуска микросхем такой памяти с французской компанией Crocus Technology.
Если присмотреться к структуре МРОЗУ и к описанной в предыдущей лекции технологии ее изготовления, то легко понять, что она хорошо сочетается с технологией производства КМДП схем. Поэтому ведущие мировые фирмы уже сейчас разрабатывают новые комбинированные микросхемы КМДП+МРОЗУ с объемной интеграцией, в которых "на первом этаже" (под поверхностью и на поверхности кристалла кремния) формируются КМДП логические схемы и процессорные блоки, а над ними, "на втором этаже" того же кристалла, формируется быстрая энергонезависимая магниторезистивная память. Расстояния между логикой и оперативной памятью становятся кратчайшими, что позволяет повысить системное быстродействие. Наличие "встроенной" энергонезависимой памяти значительно расширяет возможности программной настройки и перенастройки логики и процессорных блоков на нужные режимы работы.
Появилась дополнительная возможность реализации новых адаптивных архитектур процессоров на кристалле, их "специализации" под нужды конкретных пользователей.
Рассмотрим процессы спин-транспортного перемагничивания (СТП) в длинной ферромагнитной нанопроволоке с малым поперечным сечением, например, 30х10 нм, в которой сформированы области спонтанной намагниченности (домены) разной ориентации (рис. 2.2.а).
(рис 2.2) (а) Передвижение магнитных доменов в ферромагнитной нанопроволоке в результате СТП; (б) схема узла записи информации; (в) схема узла считывания информации
Если вдоль такой проволоки пропускать справа налево электрический ток І, то электроны проводимости в нанопроволоке будут двигаться слева направо. К междоменной стенке МС1 подходят в основном электроны с магнитным моментом, направленным вправо. Если сила тока превышает критическое значение СТП, то происходит перемагничивание, и междоменная стенка МС1 смещается вправо. Поскольку движение электронов проводимости слева направо происходит синхронно во всех сечениях ферромагнитной проволоки, то одновременно к междоменным стенкам МС2, МС3, … , МСі тоже подходят электроны. Но они в основном имеют магнитный момент, направленный параллельно направлению намагниченности предыдущего домена. В частности, к МС2 подходят электроны с магнитным моментом, ориентированным влево. В результате СТП доменная стенка МС2 тоже сдвигается вправо. К МС3 в тот же момент подходят в основном электроны с магнитным моментом, направленным вправо. В результате СТП магнитная стенка МС3 сдвигается вправо. Таким образом, под влиянием электрического тока І все магнитные домены, имеющиеся в ферромагнитной нанопроволоке, синхронно перемещаются слева направо. Подчеркнем, что движется лишь состояние намагниченности. Сама нанопроволока и все атомы в ней остаются при этом неподвижными.
Если сквозь ферромагнитную нанопроволоку на рис. 2.2.а пропускать электрический ток І слева направо, то все магнитные домены перемещаются навстречу – справа налево. Таким образом, магнитные домены можно "гонять" вдоль неподвижной ферромагнитной нанопроволоки вперед и назад.
Исследования показали, что критическая плотность тока и скорость движения доменных стенок, а, следовательно, и скорость движения доменов, зависят от материала, из которого сделана нанопроволока, от ее геометрии и от условий на ее границах. Критическая плотность тока составляет 1011-1014 А/м2 (0,1-100 мкА/нм2), а скорость движения доменов 5-500 м/с. В частности, для нанопроволоки из пермаллоя сечением 30х10 нм (с дополнительными слоями) для перемещения доменов требуется электрический ток порядка 30 мкА, а скорость перемещения достигает 100-500 м/с. Конечно же, такие физические возможности сразу же натолкнули на мысль о реализации устройств долговременной памяти, аналогичных накопителям информации на магнитных дисках или забытым накопителям на магнитных лентах, но теперь уже с неподвижным "железом" и с наноразмерами.
На рис. 2.2.б,в показаны возможные узлы записи и считывания информации в/из ферромагнитной нанопроволоки, внутри которой перемещаются магнитные домены. Здесь 1 – полупроводниковая пластина, 2 – ферромагнитная нанопроволока, сформированная на ее поверхности. Для записи информации (рис. 2.2.б) поперек ферромагнитной нанопроволоки проложена проводящая нанопроволока 3 (например, из золота) или углеродная нанотрубка (см. лекции 7 и 8). Если сквозь нее пропустить импульс электрического тока, то вокруг нее возникает магнитное поле, условно изображенное штриховой окружностью 4, достаточно сильное, чтобы намагнитить находящийся под ней участок ферромагнитной нанопроволоки в том или другом направлении (в зависимости от направления тока записи). Внутри полупроводниковой пластины 1 предварительно формируют электронную схему 5, которая в заданный момент вырабатывает и подает в нанопроволоку 3 требуемый импульс тока заданного направления.
Для считывания информации ( рис. 2.2.в) над ферромагнитной нанопроволокой 2 формируют магниторезистивную считывающую головку, которая состоит из сверхтонкого туннельного слоя 7, "фиксированного" ферромагнитного элемента 8 и металлических электродов 9 и 10. В зависимости от направления намагниченности домена 6, электрическое сопротивление "головки" будет меньше или больше. Соответствующие сигналы считывания вырабатывает электронная схема 11, предварительно сформированная внутри полупроводниковой пластины 2.
Нанопроволоки 1 из ферромагнетика (напр., пермаллоя или сплава Fe-Co) U-образной формы толщиной менее 100 нм и высотой 20-40 мкм устанавливают вертикально на поверхности пластины кремния 2, в которой сформированы электронные схемы управления памятью. Возле дна каждой нанопроволоки 1 сформированы также узлы записи и считывания информации 3. В половине каждой нанопроволоки могут быть записаны 75-280 доменов, в которых хранятся 64-256 битов информации, плюс определенное количество резервных битов для выявления и исправления единичных или двойных сбоев.
(рис 2.3) Принцип организации объемной трековой памяти
С помощью импульсов электрического тока ІПЕР того или другого направления записанные домены могут коллективно перемещаться из левой половины нанопроволоки в правую или наоборот за время порядка 100-200 нс. Электронные схемы управления позволяют адресно обращаться к любой нанопроволоке и за время 150-300 нс считать из нее или записать в нее все 64-256 бит информации.
Такая
Пока что реализованы исследовательские образцы лишь "плоской" трековой памяти, когда система запоминающих ферромагнитных "дорожек" формируется на поверхности полупроводниковой пластины с электронными схемами управления. В таком варианте тоже можно достичь неплохих результатов. Например, на "дорожке" с поперечным сечением 10х30 нм и периодом расположения доменов 25 нм на 1 мм длины можно хранить 40 кбит информации. Если такие "дорожки" расположены параллельно с периодом 200 нм, то на площади 1 мм2 размещается 5 тыс. "дорожек", в которых будут храниться 200 Мбит информации. Это не намного меньше плотности записи информации на современных жестких магнитных дисках. Зато имеем уже твердотельную память, не требующую высокоточных механических приводов, устойчивую против вибраций и ударов, для обслуживания которой не нужен дополнительный значительный объем.
До промышленного выпуска трековой памяти дело еще не дошло, поскольку не решены пока ряд проблем. Одной из них, например, является то, что электрический ток ІПЕР, требуемый для перемещения доменов, пока еще слишком велик. Из-за выделения джоулевого тепла ферромагнитная нанопроволока довольно сильно нагревается, что резко снижает надежность хранения информации в доменах малого размера.
Как и МРОЗУ, спинтронные логические элементы можно разделить на два "поколения". В первом для переключения логических элементов используется магнитное поле, а во втором – СТП. В англоязычной научно-технической литературе для первого поколения употребляют названия "Field-Induced Magnetization Switching (FIMS)" или "Field-programmable gate arrays (FPGA)", а для второго – "Current Induced Magnetization Switching (CIMS)".
Для построения логических схем обработки информации можно использовать спиновый вентиль (англ. spin valve), структура которого показана на рис. 2.4.а. Кроме магниторезистивной ячейки, в нем имеются гальванически развязанные от нее верхняя и нижняя управляющие шины (ВШ и НШ). Если пропустить сквозь одну из них импульс электрического тока, то создаваемое им магнитное поле перемагничивает "свободный" ферромагнитный элемент 2 в соответствующем направлении. Далее в схемах мы будем изображать такой спиновый вентиль в виде 6-полюсника (СВ6), показанного на рис. рис. 2.4.б. (Крестик в кружочке указывает на то, что при пропускании тока от В1 (или Н1) к В2 (или Н2) электрический ток течет в направлении "от нас"). Для реализации двухвходовых логических элементов в спиновом вентиле формируют не одну, а две гальванически развязанные верхние шины. Такой спиновый вентиль мы будем изображать в виде 8-полюсника (СВ8), показанного на рис. 2.4.в.
(рис 2.4) (а) Структура спинового вентиля: 1 – верхний электрод; 2 – "свободный" ферромагнитный элемент; 3 – туннельный слой; 4 – "фиксированный" ферромагнитный элемент; 5 – нижний электрод; ВШ и НШ – верхняя и нижняя управляющие шины. (б) Символ в схемах спинового вентиля СВ6; (в) символ спинового вентиля СВ8 с двумя верхними управляющими шинами
Если 6-полюсный спиновый вентиль (СВ6) включить по схеме, показанной на рис. 2.5.а, то он будет выполнять функции статического триггера.
(рис 2.5) (а) Схема спинтронного статического триггера; (б) схема спинтронного инвертора; (в) последовательность подачи сигналов; (г) схема логического элемента "Тождество"; (д) схема спинтронной "защелки"
Здесь выходы В2 и Н2 управляющих шин заземлены. Импульс тока на вход В1 используют для установки триггера в состояние "1" (когда сопротивление магниторезистивного элемента относительно мало), а импульс тока на вход Н1 используют для установки триггера в состояние "0" (когда сопротивление магниторезистивного элемента относительно велико). Когда на вход питания (П) подают постоянное положительное напряжение, то с выхода (Вых) течет постоянный электрический ток: относительно малый в состоянии "0" и относительно большой в состоянии "1". Когда на вход питания (П) подают положительные импульсы напряжения, то с выхода (Вых) вытекают импульсы тока: относительно малые в состоянии "0" и относительно большие в состоянии "1". В зависимости от амплитуды положительного напряжения на входе питания (П) величина импульса тока на выходе (Вых) может быть равной или даже больше чем амплитуда входных импульсов. Таким способом легко реализовать требуемое усиление сигнала.
Если СВ6 включить по схеме, показанной на рис. 2.5.б, то он выполняет функции логического инвертора. В этом случае заземляют входы В1 и Н1 управляющих шин. Логическую операцию выполняют в 3 такта, показанных на рис. рис. 2.5.в. Первым во времени на вход Н2 подают импульс восстановления начального состояния (ВНС). Поскольку в этом случае ток через нижнюю управляющую шину течет "к нам", то, независимо от того, в каком состоянии находится магниторезистивный элемент, этот импульс устанавливает его в состояние "1". Во втором такте на вход В2 подают входной логический сигнал. Импульс тока значительной амплитуды соответствует логической "1", а импульс относительно малой амплитуды – логическому "0". При подаче логического "0" магниторезистивный элемент остается в состоянии "1", а при подаче логической "1" переключается в состояние "0". Наконец (в 3-м такте) на вход питания (Т) подают положительный импульс напряжения, и с выхода (Вых) вытекает относительно большой импульс тока, если на вход был подан "0", и относительно малый импульс тока, если на вход была подана "1".
Если СВ6 включить по схеме, показанной на рис. 2.5.г, то он будет выполнять функции логического тождества (повторителя). В этом случае заземляют выходы управляющих шин В2 и Н2. Первым во времени на входН1 подают импульс ВНС, и магниторезистивный элемент оказывается в состоянии "0". Потом на вход В1 подают входной логический сигнал. Если он "0", то магниторезистивный элемент остается в состоянии "0"; если "1", то переходит в состояние "1". В 3-м такте на вход питания (Т) подают положительный импульс напряжения, и с выхода (Вых) вытекает импульс тока, который с задержкой во времени воссоздает входной логический сигнал.
Наконец, если СВ6 включить по схеме, показанной на рис. 2.5.д, то он будет выполнять функции логической "защелки". Импульс тока восстановления (Восст) подают на вход Н1 лишь в начале периода наблюдения. В течение этого периода на вход В1 поступают логические сигналы. Если среди них встретится хотя бы один сигнал "1", то магниторезистивный элемент переключается в состояние "1" и остается в нем. В конце периода наблюдения на вход питания (Т) подают положительный импульс напряжения, и с выхода (Вых) вытекает импульс тока "1", если поступил хотя бы один входной сигнал "1", и незначительный импульс тока ("0"), если ни одного такого сигнала не было.
Еще больше возможностей для реализации логических схем предоставляет спиновый вентиль СВ8. Если его включить по схеме, показанной на рис. 2.6.а, то он выполняет функции логической дизъюнкции (OR). В первом такте импульс электрического тока ВНС переводит магниторезистивный элемент в состояние "0". Во втором такте на входы ВхА и ВхВ подают входные сигналы А и В. Если хотя бы один из них является логической "1", то он переключает магниторезистивный элемент в состояние "1". И при следующей подаче положительного импульса напряжения на вход питания (Т) с выхода (Вых) вытекает импульс тока "1". Если же на оба входа поступают относительно малые импульсы тока (логические "0"), то магниторезистивный элемент остается в состоянии "0". И в 3-м такте на выходе формируется тоже незначительный импульс тока (логический "0").
Если СВ8 включить по схеме, показанной на рис. 2.6.б, то он выполняет логическую функцию $$\overline{A}B$$. В первом такте импульсом ВНС магниторезистивный элемент переводится в состояние "0". Если во 2-м такте на оба входа поступают логические "0", то магниторезистивный элемент остается в состоянии "0", и в 3-м такте с выхода вытекает незначительный электрический ток ("0"). Если во 2-м такте на вход А поступает "0", а на вход В сигнал "1", то магниторезистивный элемент переходит в состояние "1", и в 3-м такте на выходе (Вых) формируется относительно большой импульс тока (логическая "1"). Если во 2-м такте на вход А поступает "1", а на вход В "0", то магниторезистивный элемент остается в состоянии "0", и в 3-м такте на выходе (Вых) имеем "0". Если во 2-м такте на оба входа поступают "1", то создаваемые верхними управляющими шинами магнитные поля имеют противоположное направление и компенсируют друг друга. Магниторезистивный элемент остается в состоянии "0", и в 3-м такте на выходе (Вых) тоже имеем "0".
(рис 2.6)
Схемы некоторых логических элементов на спиновом вентиле СВ8: (а) дизъюнкция (OR); (б$$\overline{A}$$B; (в) $$\overline{A\vee B}$$(NOR); (г) $$\overline{A}vee B$$
Если СВ8 включить по схеме, показанной на рис. рис. 2.6.в, то он выполняет логическую функцию $$\overline{A}vee B$$. В первом такте импульсом ВНС магниторезистивный элемент переводится в состояние "1". Если во 2-м такте на оба входа подаются логические "0", то магниторезистивный элемент остается в состоянии "1", и в 3-м такте на выходе имеем "1". Если же во 2-м такте хотя бы на один из входов подается логическая "1", то магниторезистивный элемент переводится в состояние "0", и в 3-м такте на выходе имеем "0".
Если СВ8 включить по схеме, показанной на рис. 2.6.г, то он выполняет логическую функцию
Возможен также вариант логики, когда на входы А и В спинового вентиля СВ8 подают импульсы электрического тока, равные по амплитуде лишь половине тока, требуемого для переключения магниторезистивного элемента в другое состояние. Тогда СВ8, включенный по схеме на рис. 2.6.а, выполняет функции логической конъюнкции (AND), поскольку магниторезистивный элемент переключается в состояние "1" лишь тогда, когда на оба входа поступают "половинные" импульсы тока.
Как видим, логические возможности спинтронных вентилей с переключением магнитным полем достаточно широки. Эти вентили образуют технически полную систему логических элементов и могут реализовать любые логические преобразования. Время перемагничивания "свободного" ферромагнитного элемента (при малых размерах) составляет 20-50 пс. Следовательно, все 3 такта цикла выполнения логических операций могут занимать не более 150 пс. Это и есть задержка распространения сигнала на одно звено сложной логической схемы.
Потребляемая в каждом такте мощность для магниторезистивных элементов размером порядка 20-30 нм тоже относительно невелика – до 1 мВт. Поэтому энергия, потребляемая на выполнение одной логической операции, составляет приблизительно 1 мВт х 100 пс = 100 фДж. Следовательно, по всем техническим параметрам (быстродействие, энергопотребление, размеры и соответственно возможности интеграции) логика на спиновых вентилях является конкурентоспособной. Вдобавок она имеет еще и такие преимущества, как высокая радиационная стойкость, возможность работать при температурах до 300 °С и даже выше, стойкость против обычных электромагнитных помех. Поэтому она уже находит применение в спецтехнике. Основным сдерживающим фактором для широкого ее применения являются высокие требования к идентичности характеристик спиновых вентилей, а следовательно, к технологии их изготовления и к качеству материалов.
К первому поколению спинтронных логических элементов следует отнести также т.н. 
(рис 2.7) (а) Типичная форма ферромагнитных элементов МКА. (б) Антиферромагнитное упорядочение. (в) Упорядочение при стыковке магнитными полюсами. (г) Мажоритарная логическая схема. (д, е) Примеры ее работы. (ж) Антимажоритарная схема. (з) Один из примеров ее работы
Если несколько ФНЭ разместить рядом длинными сторонами друг к другу ( рис. 2.7.б, типичное расстояние 15-30 нм), то устойчивое состояние (наименьшая потенциальная энергия) достигается тогда, когда направления намагниченности соседних ФНЭ противоположны. Поэтому строка расположенных таким образом ФНЭ автоматически приобретает антиферромагнитную намагниченность. Если же ФНЭ расположены рядом магнитными полюсами друг к другу ( рис. 2.7.в), то наименьшая потенциальная энергия достигается тогда, когда направления намагниченности соседних элементов совпадают.
Используя указанные свойства взаимодействия ФНЭ, можно построить их конфигурации, выполняющие те или иные логические функции. На рис. 2.7.г показана наиболее употребляемая конфигурация, выполняющая логическую функцию мажоритарного элемента Μ(A,B,C) На рис. 2.7.д показан один из примеров ее работы. Здесь входные ФНЭ внешними силами переведены в конкретные состояния намагниченности. Если считать намагниченность вверх логическим "0", а намагниченность вниз логической "1", то А = 0, В = С = 1. На ФНЭ, обозначенный цифрой 1, сверху действует сила, стремящаяся развернуть его намагниченность вверх, снизу – сила, стремящаяся развернуть его намагниченность вниз, и слева – сила, которая тоже стремится развернуть его намагниченность вниз. Суммарное действие двух последних сил побеждает, и намагниченность элемента 1 разворачивается вниз. Поэтому и выходной ФНЭ имеет намагниченность вниз, т.е. приходит в состояние логической "1". Т.е. на выходе имеем состояние, которое совпадает с состоянием большинства входных элементов.
На рис. 2.7.е показан еще один пример работы мажоритарного логического элемента. Здесь входные ФНЭ внешними силами переведены в состояния А = С = 0, В = 1. На ФНЭ, обозначенный цифрой 2, сверху и снизу действуют силы, стремящиеся развернуть его намагниченность вверх, а слева – сила, стремящаяся развернуть его намагниченность вниз. Суммарное действие первых двух сил побеждает, и намагниченность элемента 1 разворачивается вверх. Поэтому и выходной ФНЭ имеет намагниченность вверх, т.е. приходит в состояние логического "0".
Благодаря антиферромагнитному упорядочению горизонтальных строк логическая операция отрицания реализуется очень просто – добавлением или удалением одного ФНЭ в строке. На рис. 2.7.ж показана конфигурация, реализующая логическую функцию антимажоритарного элемента $$\overline {M}(A,B,C)$$. Один из конкретных примеров ее работы показан на рис. 2.7.з. Здесь А = 0, В = С = 1. На ФНЭ, обозначенный цифрой 1, сверху действует сила, которая стремится развернуть его намагниченность вверх, снизу – сила, стремящаяся развернуть его намагниченность вниз, и слева - сила, тоже стремящаяся развернуть его намагниченность вниз. Суммарное действие двух последних сил побеждает, и намагниченность элемента 1 разворачивается вниз. Поэтому выходной ФНЭ имеет намагниченность вверх, т.е. приходит в состояние логического "0".
Описанные мажоритарные логические схемы могут выполнять логические функции AND, OR, NAND, NOR, а именно: $$М(A,В,0) = AВ,\ М(A,В,1) = A\vee В,\ \overline{М}(A,В,0) = \overline{AB}, \ \overline{М}(A,В,1) = \overline{A\vee В}$$. Они образуют функционально полный набор логических элементов, и поэтому с помощью сети МКА можно реализовать любые, даже довольно сложные процессоры.
Для того, чтобы формировать заданные состояния входных ФНЭ и считывать состояния выходных ФНЭ сети МКА, можно использовать, например, узлы записи и считывания ( рис. 2.2.б,в) такие же, как и в описанной выше трековой памяти.
С целью уменьшения энергопотребления при переключении ФНЭ из одного состояния в другое и ускорения этого переключения часто применяют магнитное поле, перпендикулярное к направлению намагниченности ФНЭ. В таком поле намагниченность ФНЭ принудительно разворачивается перпендикулярно к оси легкого намагничивания, т.е. приводится в нейтральное состояние, из которого ФНЭ может легко перейти в любое из стабильных состояний. Такое пульсирующее внешнее магнитное поле создается на короткое время непосредственно перед подачей новых входных данных и выключается при их поступлении. Оно как бы "стирает", нейтрализует все предыдущие состояния и значительно облегчает и ускоряет переход ФНЭ в новые состояния в соответствии с новыми входными данными.
Заметим еще, что нередко описанную сеть ФНЭ называют "магнитными клеточными автоматами на квантовых точках" ("magnetic quantum-dot cellular automata"), что является неточным. ФНЭ указанных размеров (≈ 20 х 60 х120 нм) не являются настоящими квантовыми точками в том плане, что их размеры еще значительно превышают длину волны де Бройля для носителей заряда. И о квантовых вычислениях здесь речь еще не идет.
Во "втором поколении" логических схем на спинтронных вентилях используют явление спин-транспортного перемагничивания (СТП). СТП вариант описанной выше логики на наномагнитах отличается только тем, что для формирования требуемых состояний входных ФНЭ используют явление СТП. С этой целью входные ФНЭ выполняют в виде магниторезистивных ячеек, показанных на рис. 2.8.а.
(рис 2.8) (а) Входной и (б) выходной ФНЭ логики на наномагнитах 2-го поколения
Входной ФНЭ состоит из нижнего электрода 1, "свободного" ферромагнитного слоя 2, туннельного слоя 3, "фиксированного" ферромагнитного слоя 4 и верхнего электрода 5. При пропускании электрического тока того или иного направления "свободный" ферромагнитный слой входного ФНЭ принудительно намагничивается в заданном направлении. А затем его влияние распространяется на последующие ФНЭ 6, 7, 8, … Аналогично выходной ФНЭ ( рис. 2.8.б) состоит из нижнего электрода 1, "свободного" ферромагнитного слоя 2, туннельного слоя 3, "фиксированного" ферромагнитного слоя 4 и верхнего электрода 5. Но направление намагниченности "свободного" ферромагнитного слоя 2 зависит здесь от состояния предыдущих ФНЭ 9, 10, 11. В зависимости от этого электрическое сопротивление выходной магниторезистивной ячейки будет относительно большим или относительно малым.
Простая магниторезистивная туннельная ячейка с записью информации методом СТП оказалась малопригодной для построения логических схем. Ведь ток считывания из нее должен быть намного меньше тока перемагничивания (рис. 2.1.в), что не позволяет выходы предыдущих логических элементов непосредственно подключать ко входам следующих. И потому большинство разработок спинтронных логических схем 2-го поколения пошло по пути сочетания спинтронных логических вентилей с КМДП схемами. Из всего разнообразия предложенных вариантов мы рассмотрим лишь некоторые.
Вариант реализации мажоритарной 
(рис 2.9) Структура мажоритарной логической схемы с латеральным СТП. Вверху – вид в плане, внизу – вид в разрезе вдоль линии Н-Н
Она состоит из "свободного" ферромагнитного элемента 1, входных элементов 2, 3 и 4 и выходного элемента 5. Структура в поперечном сечении вдоль линии Н-Н показана внизу. Здесь Подл – подложка, на которой сформированы все элементы; Д – диэлектрик; СФС – "свободный" ферромагнитный слой; ТС – туннельный слой; ФФС – "фиксированный" ферромагнитный слой; ЭлВ – металлические верхние электроды; ЭлН – металлический нижний электрод выходного элемента, который обычно заземляют. Когда на электрод одного из входных элементов (2, 3 или 4) подают положительный импульс напряжения или электрического тока, то ток течет от него сквозь СФС к электроду ЭлН. Этот электрический ток спин-поляризован и переносит к выходному элементу магнитный момент, ориентированный вправо. Когда же на электрод подают отрицательный импульс напряжения (тока), то спин-поляризованный электрический ток переносит к выходному элементу магнитный момент, ориентированный влево. Это и называют "латеральным переносом спина".
К области СФС, расположенной в выходном элементе, стекаются спин-токи от всех трех входов ( iА, iВ и iС). Поэтому эта область перемагничивается в направлении, определяемом алгебраической суммой магнитных спин-токов. Состояние выходной магниторезистивной ячейки является логической функцией Μ(A,B,C) от логических значений входных токов (напряжений).
На рис. 2.10показана структура мажоритарной логической схемы с использованием однодоменного СТП.
(рис 2.10) Структура мажоритарной логической схемы с однодоменным СТП. Внизу – вид в разрезе, вверху – вид в плане
Она состоит из однодоменного "свободного" ферромагнитного элемента 1 типа описанного выше ФНЭ, из входных элементов 2, 3 и 4 и выходного элемента 5. Структура последних показана внизу в поперечном разрезе. Здесь Подл – подложка, на которой сформированы все элементы; ЭлН – металлический слой, который образует общий для всех элементов нижний электрод; СФС – "свободный" ферромагнитный слой, который в силу нанометровых размеров представляет собой единый магнитный домен с осью легкого намагничивания в направлении большего размера; ТС – туннельный слой; ФФС – "фиксированный" ферромагнитный слой; ЭлВ – металлические верхние электроды. Общий нижний электрод (ЭлН) обычно заземляют.
Когда на электрод одного из входных элементов (2, 3 или 4) подают положительный импульс напряжения или электрического тока, то под ним из СФС приходят в движение вверх электроны. Сквозь туннельный слой (ТС) в ФФС проходят в основном электроны со спином, ориентированным вправо (в направлении намагниченности ФФС), а электроны с противоположно ориентированным спином накапливаются. И когда их становится достаточно много, они перемагничивают СФС влево.
Когда же на электрод входного элемента (2, 3 или 4) подают отрицательный импульс напряжения (тока), то под ним из ФФС вниз движутся электроны со спином, ориентированным в основном вправо. И если их достаточно много, то они перемагничивают СФС вправо.
Состояние магнитного домена, когда одна часть его объема намагничена в одном направлении, а другая – в другом, не является стабильным. Поэтому вскоре после окончания импульсов напряжения (тока), поданных на три входа, весь объем домена намагничивается в направлении, соответствующем усилиям большинства входов. В этом, "мажоритарном", направлении намагничивается и та часть домена, которая входит в состав выходного элемента. Таким образом, состояние выходного элемента является логической функцией Μ(A,B,C) входных сигналов.
Выходом мажоритарных логических схем в обоих случаях (рис. 13.9 и 13.10) является состояние выходной магниторезистивной ячейки, т.е. большое или малое сопротивление электрическому току. Непосредственное присоединение этого выхода ко входам других таких же логических схем не обеспечивает надежного функционирования, т.е. такие схемы не образуют технически полную систему элементов. В качестве "посредника" между ними используют КМДП транзисторные схемы. Как мы уже писали выше, технологии КМДП и "магнитной логики" совместимы. "Магнитная логика" может быть сформирована "на втором этаже" – непосредственно над КМДП транзисторными схемами. Выигрыш при этом заключается в том, что площадь спинтронной мажоритарной схемы очень мала (площадь одного магнитного домена). Меньше оказывается и потребляемая мощность. И вдобавок состояние выходных магниторезистивных ячеек запоминается и сохраняется даже при выключении питания, что для многих применений может быть очень важным.
Опишем еще один вариант реализации логических схем – с использованием т.н. "нелокального" СТП. В предыдущей лекции (п. 5) мы рассказали, что происходит на контакте феромагнетика (ФМ) с нормальным (не ферромагнитным) проводником (НП) и показали возможность инжекции в нормальный проводник спин-поляризованного электрического тока и последующей диффузии спин-поляризованных носителей заряда на достаточно большие расстояния. Схема 
(рис 2.11) Вверху - схема нелокального СТП; внизу - схема двухэтапного нелокального СТП
Когда на вход подают отрицательный импульс напряжения, из "фиксированного" ферромагнитного слоя (ФФС) сквозь туннельный слой (ТС) в медный проводник (Cu) инжектируются электроны с магнитным моментом, ориентированным направо. Медь выбрана потому, что она имеет довольно большое значение λC ≈ 1 мкм, так что спин-поляризованные электроны в ней легко распространяются на расстояния во много сотен нанометров. Дойдя до "свободного" ферромагнитного слоя (СФС) выходной магниторезистивной туннельной ячейки (МТЯ), они стремятся намагнитить ее в "своем" направлении. И когда их достаточно много, это им удается. Если же на вход подать положительный импульс напряжения, то сквозь туннельный слой (ТС) из медного проводника (Cu) в "фиксированный" ферромагнитный слой (ФФС) инжектируются преимущественно электроны с магнитным моментом, ориентированным вправо. Поэтому в медном проводнике возрастает концентрация электронов с магнитным моментом, ориентированным влево. Диффундируя к СФС, они стремятся намагнитить его влево. Таким образом, с помощью инжекции спин-поляризованного тока удается перемагнитить МТЯ, расположенную на довольно большом (в масштабах наномира) расстоянии.
Однако в описанном режиме плотность тока, необходимая для нелокального СТП, довольно велика. Дальнейшее усовершенствование позволило значительно ее уменьшить. Принцип показан на рис. 2.11 внизу. Процесс нелокального СТП разделяется на 2 этапа. Сначала с помощью импульса напряжения, приложенного между электродами 1 и 2, вызывают инжекцию спин-поляризованных электронов из ФФС в медный проводник, откуда они довольно быстро диффундируют вплоть до СФС выходного элемента (справа). Потом между электродами 4 и 5 подают импульс напряжения значительно большей амплитуды ("импульс записи"). Инжектированные из ФФС выходного элемента спин-поляризованные электроны вызывают магнитное возмущение прилегающего СФС, который оказывается в нестабильном состоянии. После окончания импульса записи СФС должен вернуться в одно из своих стабильных состояний. И вот здесь решающую роль играют спин-поляризованные электроны, накопленные рядом с ним в "соединительной" медной шине 7. Они заставляют СФС перейти в стабильное состояние с намагниченностью именно в их направлении. Если импульс записи своевременно не подается, то спустя относительно короткое (порядка 1 нс) время релаксации спинов tCP поданный импульс инжекции ограничивается лишь перемагничиванием СФС входного элемента. В следующий раз инжекцию спин-поляризованных электронов в "соединительную" медную шину 7 можно выполнить, подавая импульс напряжения еще меньшей амплитуды между электродами 2 и 3. Инжектированные электроны будут иметь ориентацию магнитного момента, соответствующую намагниченности СФС входного элемента.
В свою очередь, СФС выходного элемента может стать источником спин-поляризованных электронов для следующего логического вентиля (расположенного справа от выходного), если подать импульс инжекции между электродами 5 и 6. Это открывает возможность разветвления и каскадного соединения нескольких последовательных логических схем, основанных на явлении нелокального СТП.
Структура мажоритарной логической схемы с использованием нелокального СТП подобна показанной на рис. 2.9 вверху. Легко могут быть реализованы также 3-входовые логические схемы NAND, NOR и прочие. В ряде научных публикаций описана, например, реализация на такой элементной базе арифметико-логических схем полного сумматора (с переносом в старший разряд) и др.
Проанализирована эффективность спинтронных устройств обработки информации 2-го поколения в комбинации с КМДП схемами со структурой, показанной на рис. 2.12. Здесь 1 – пластина кремния, 2 – слой окисла на ее поверхности. В пластине кремния по КМДП технологии сформированы входные схемы (ВхС), схемы подачи тактовых импульсов (СТ), узлы усиления и коммутации сигналов (УУК) и выходные схемы (ВыхС). Над поверхностью окисла (2), на "втором этаже", сформированы спинтронные логические схемы (СЛС).
(рис 2.12) Структура СП-КМДП арифметико-логических блоков
Схемы ВхС получают извне входную информацию и превращают ее в соответствующие входные сигналы для СЛС. Схемы СТ обеспечивают нужными тактовыми импульсами процесс обработки данных в СЛС. Через несколько логических каскадов выходные сигналы СЛС усиливаются в УУК, коммутируются и подаются на входы следующих СЛС, где продолжают быстро обрабатываться. Выходные сигналы завершающего звена СЛС усиливаются, форматируются и выдаются вовне КМДП схемами ВыхС.
Если за критерий для сравнения взять реализацию полного 32-разрядного двоичного сумматора, то при проектно-технологической норме 15 нм по такому интегральному показателю, как удельная скорость вычислений в петаоперациях (1015 операций) в секунду на 1 см2 площади микросхемы, СП-КМДП вариант (при условии выделения при функционировании мощности не более 1 Вт/см2), обеспечивая 4*1015 операций/(с*см2), опережает все другие нанотехнологии. Конкурируют с ним только интегральные схемы на транзисторах с нанополосками графена (см. лекцию 9). Но перед ними СП-КМДП вариант имеет такие важные преимущества, как энергонезависимость и способность к реконфигурации.
Возможность целенаправленно изменять электрическое сопротивление магниторезистивных ячеек и пороговый характер СТП сделали их перспективными и для построения на их основе устройств т. н. "пороговой" логики. В ней используются "пороговые" логические вентили (англ. Threshold Logic Unit, TLU), являющиеся упрощенным аналогом биологических нейронов (рис. 2.13.а). Их входные и выходные сигналы являются двоичными, но внутри происходит относительно сложная обработка сигналов. Каждому входному сигналу (xi) ставится в соответствие его "удельный вес" wi (действительное число), характеризующий степень его значимости. Сигналы, умноженные на их "удельный вес", складываются, и результат сравнивается с установленным на основании предыдущего опыта "порогом" wΠ. Выходом вентиля является логическая "1", если $$$ \mathit{ \sum x_{iwi} \ge w_\Pi } $$$, либо логический "0", если $$$ \mathit{ \sum x_{iwi} < w_\Pi } $$$.
"Удельный вес" того или иного входа могут задавать магниторезистивные ячейки, электропроводность которых зависит от направлений намагниченности "фиксированного" и "свободного" ферромагнитных элементов. При параллельной ориентации намагниченностей электропроводность относительно высока, при антипараллельной – значительно меньше.
(рис 2.13) (а) Функциональная схема порогового элемента ("искусственного нейрона"); (б) и (в) структура магниторезистивного элемента с двумя и с четырьмя значениями электропроводности
На рис. 2.13.б показана структура магниторезистивной ячейки, в которой нижний ферромагнитный слой состоит из двух "фиксированных" ферромагнитных элементов (ФФЭ) и одного "свободного" (СФЭ). Пропуская импульс электрического тока того или иного направления между электродами 2 и 3, можно перемагнитить СФЭ параллельно или антипараллельно к намагниченности верхнего ФФЭ. Это состояние запоминается, и в дальнейшем электропроводность G между электродами 1 и 2 (или 1 и 3) остается заданной – высокой или низкой.
На рис. 2.13.в показана структура магниторезистивной ячейки, в которой нижний ферромагнитный слой состоит из трех "фиксированных" ферромагнитных элементов (ФФЭ) и двух "свободных" (СФЭ). Пропуская импульс электрического тока того или иного направления между электродами 1, 2 и 3, каждый из СФЭ можно независимо перемагнитить параллельно или антипараллельно к намагниченности соответствующего верхнего ФФЭ. Состояния обоих СФЭ запоминаются, и в дальнейшем электропроводность G между электродом 1 и электродом 2 (или 3) остается заданной и может иметь уже одно из 4-х значений. Увеличивая число "фиксированных" и "свободных" ферромагнитных элементов, можно построить магниторезистивные ячейки с 8, 16 и т.д. разными значениями электропроводности. Но для практики обычно достаточно 2-4 значений. Отметим, что размеры этих ферромагнитных элементов составляют примерно 20 × 60 нм, и каждый из них представляет собой один единственный магнитный домен. Следовательно, размеры магниторезистивной ячейки на рис. 2.13.в составляют около 100 × 60 нм. Это – наноразмерный элемент.
Одна из новейших функциональных схем магниторезистивного порогового вентиля на 3 входа показана на рис. 2.14. Входы здесь являются двухканальными: каждый состоит из двух "ветвей": "+" и "–". Когда на вход подается логическая "1", то на ветвь "+" приходит импульс напряжения положительной полярности и одновременно на ветвь "–" – импульс отрицательной полярности. Отсутствие импульсов означает логический "0". И ко входу "+", и ко входу "–" подключена своя магниторезистивная ячейка. В шине сложения (ШС) токи $$$ \mathit {UG_{i+}}$$$ и $$$ \mathit {UG_{i-}}$$$, протекающие сквозь эти ячейки, вычитаются.
(рис 2.14) (Cхема магниторезистивного порогового вентиля (искусственного нейрона) на 3 входа
Все вместе 6 магниторезистивных ячеек левого столбца составляют блок умножения входных сигналов на их "удельные веса" (БУУВ). К шине сложения (ШС) подключены также выходы двух магниторезистивных ячеек правого столбца, составляющих вместе блок формирования порогового значения (БФПЗ). Из этих ячеек в шину сложения втекают токи $$$ \mathit {UG_{\Pi+}}$$$ и $$$ \mathit {UG_{\Pi-}}$$$, где $$$ \mathit {G_{\Pi+}}$$$ и $$$ \mathit {G_{\Pi-}}$$$ – электропроводности соответствующих магниторезистивных ячеек, каждая из которых может иметь одно из 4-х значений. Эти значения, как и значения всех $$$ \mathit {G_{i+}}$$$ и $$$ \mathit {G_{i-}}$$$ (і = 1, 2, 3), предварительно устанавливаются и при необходимости могут быть изменены через входы ввода уставок (Уст). Из шины сложения (ШС) в выходную магниторезистивную ячейку втекает суммарный (∑) ток $$$$ {\sum = U [x_1( G_{1+} - G_{1-} ) + x_2( G_{2+} - G_{2-} ) + x_3( G_{3+} - G_{3-} ) + x_\Pi( G_{\Pi+} - G_{\Pi-} ) ]. } $$$$
Если этот ток превышает пороговое значение тока СТП "свободного" ферромагнитного элемента, то последний перемагничивается в другое состояние. Потенциал точки Т при этом существенно изменяется, и на выходе выходного блока (ВыхБ) формируется сигнал "1". В противном случае формируется сигнал логического "0". Как видно из формулы (2.1), описанная организация позволяет задавать и использовать не только положительные, но и отрицательные (когда Gi- > Gi+ ) весовые коэффициенты и сдвигать порог срабатывания "нейрона" как в положительном, так и в отрицательном направлениях.
Магниторезистивный пороговый вентиль размерами примерно 500 × 300 нм функционирует при следующих параметрах сигналов: 50 мВ; пороговый ток СТП ≈ 2 мкА; паразитная емкость внутренних межсоединений порядка 10 фФ; энергия срабатывания вентиля около 20 аДж; частота тактовых импульсов порядка 1 ГГц.
Это – новая наноэлектронная элементная база, открывающая "второе дыхание" для работ по созданию и применению нейрокомпьютеров, в которых используется стиль обработки информации, выбранный живой природой. Не исключено, что именно такая элементная база позволит успешно претворить в жизнь амбициозный проект "Человеческий мозг", стартовавший недавно в швейцарской Лозанне. Совмещение логики и памяти, массовый параллелизм обработки информации, начиная уже с самого нижнего системного уровня, – очень привлекательные особенности этого стиля.
Ток перемагничивания методом СТП быстро уменьшается с уменьшением размеров ячейки. Уже при размерах ячейки меньше 300 нм критический ток, необходимый для перемагничивания этим методом, становится ниже электрического тока, необходимого для перемагничивания запоминающего элемента магнитным полем. Поэтому МРОЗУ стали первыми промышленными изделиями, в которых ныне уже широко используют метод СТП. Размер запоминающей ячейки МРОЗУ можно уменьшать аж до 10 нм. А время считывания информации в ультрабыстрых вариантах доведено уже до 300 пс.
Ведущие мировые корпорации уже сейчас разрабатывают новые комбинированные микросхемы КМДП+МРОЗУ с объемной интеграцией, в которых "на первом этаже" (под поверхностью и на поверхности кристалла кремния) формируют КМДП логические схемы и процессорные блоки, а над ними, "на втором этаже" того же кристалла формируют достаточно быструю энергонезависимую магниторезистивную память. Расстояния между логикой и оперативной памятью становятся кратчайшими, что позволяет повысить системное быстродействие. Благодаря тому, что "встроенное" МРОЗУ является энергонезависимым, значительно возрастают возможности программной настройки и перенастройки логики и процессорных блоков на требуемые режимы работы. Появилась возможность реализации новых адаптивных архитектур процессоров на кристалле, их "специализации" в соответствии с задачами конкретных пользователей.
Возможность быстрого (порядка 100 м/с) перемещения магнитных доменов вдоль ферромагнитного проводника при пропускании спин-поляризованного электрического тока позволяет реализовать быструю "трековую" память – наноэлектронный аналог прежних накопителей на магнитной ленте. "Объемная" реализация такой памяти обеспечивает плотность записи информации на порядки выше, чем в других видах полупроводниковой памяти. А "плоская" реализация позволяет создать твердотельную память с плотностью записи порядка 1010 бит/см2, лишь немного уступающей магнитным дискам. Но ей уже не нужны высокоточные механические приводы, она не боится вибраций и ударов, для ее обслуживания не нужен дополнительный объем.
Как и МРОЗУ, спинтронные устройства обработки информации можно условно разделить на два "поколения". В первом для переключения логических элементов используют магнитное поле, а во втором – СТП. Логические возможности спинтронных вентилей с переключением магнитным полем весьма широки. Из них можно создать технически полную систему логических элементов с циклом выполнения логических операций порядка 150 пс и энергией переключения на одну логическую операцию порядка 100 фДж. К тому же они имеют еще и такие преимущества, как высокая радиационная стойкость, возможность работы при температурах до 300 °С и даже выше, стойкость к обычным электромагнитным помехам.
К первому поколению спинтронных логических элементов относится также "логика на наномагнитах", которую именуют также "магнитные клеточные автоматы" (МКА). Для построения такой логики используют продолговатые ферромагнитные элементы, имеющие выраженную анизотропию формы, которые в равновесии могут пребывать только в состояниях намагниченности вдоль длинной оси. На таких элементах можно легко реализовать мажоритарную и антимажоритарную логические функции, а также логические функции AND, OR, NAND, NOR и т.д. Они образуют функционально полный набор логических элементов, и поэтому с помощью сети МКА можно строить достаточно сложные процессоры. Для уменьшения энергопотребления при переключениях наномагнитов из одного состояния в другое и ускорения переключений часто используют импульсное магнитное поле, перпендикулярное к направлению намагниченности ФНЭ. Во "втором поколении" логики на наномагнитах для формирования требуемых входных состояний используют явление СТП.
Спинтронные логические схемы 2-го поколения строят с использованием латерального, однодоменного или нелокального СТП. Для их функционирования требуются тактовые импульсы, а также усиление выходных сигналов и их формирование для воздействия на входы следующих логических каскадов. Поэтому разработки этих схем пошли путем сочетания спинтронных вентилей с КМДП схемами. Выигрыш при этом состоит в том, что площадь спинтронной мажоритарной схемы весьма мала (площадь одного магнитного домена). Уменьшается и потребляемая мощность. К тому же состояния выходных магниторезистивных ячеек запоминаются и сохраняются даже при выключении питания, что для многих применений оказывается очень важным. Предложены и разрабатываются перспективные комбинированные интегральные микросхемы, в которых в пластине кремния по КМДП технологии сформированы входные схемы, схемы подачи тактовых импульсов, схемы усиления и коммутации сигналов и выходные схемы, а над поверхностью окисла, на "втором этаже", сформированы спинтронные логические схемы.
Если в качестве критерия сравнения взять реализацию полного 32-разрядного двоичного сумматора, то при проектно-технологической норме 15 нм по такому интегральному показателю, как удельная скорость вычислений в петаоперациях (1015 операций) за секунду на 1 см2 площади микросхемы, комбинированный (СП+КМДП) вариант при условии выделения при функционировании мощности не более 1 Вт/см2, обеспечивает 4*1015 операций/(с*см2) и по этому показателю опережает почти все другие нанотехнологии. Конкурируют с ним только интегральные схемы на транзисторах с нанополосками графена. Но перед ними СП+КМДП вариант имеет такие важные преимущества, как энергонезависимость и возможность реконфигурации.
Предложен и исследован вариант магниторезистивного порогового вентиля на 3 входа, являющийся аналогом биологического нейрона. Имея размеры примерно 500 × 300 нм, он может работать на тактовой частоте порядка 1 ГГц, рассеивая за один такт энергию порядка 20 аДж. Эта новейшая наноэлектронная элементная база может "открыть второе дыхание" для направления создания и применения нейрокомпьютеров.
Для улучшения характеристик магниторезистивных ОЗУ запись информации методом спин-транспортного перемагничивания (СТП) выгодней комбинировать с вертикальным намагничиванием ферромагнитных слоев. Структура ячейки памяти (МРОЗУ) с вертикальным намагничиванием и с записью информации методом СТП показана на рис. 2.1. Пусть сначала "свободный" (запоминающий) ферромагнитный элемент (СФЭ) намагничен вниз, и электрическое сопротивление магниторезистивной ячейки велико (состояние "1"). Если сквозь ячейку пропустить электрический ток Із0, превышающий критическую величину ІК0 ( рис. 2.1.a), то электроны, выходящие из "фиксированного" ферромагнитного элемента (ФФЭ), переносят вверх магнитный момент, ориентированный вверх. И СФЭ перемагничивается в состояние "0". При достаточной силе тока это может произойти за время порядка 1 нс. Достигнуто и рекордное время СТП 100 пс. Если ток Із0 пропускать сквозь ячейку в состоянии "0", то состояние ячейки не изменится, так как магнитные моменты в СФЭ уже ориентированы вверх.
Для записи "1" в ячейку, которая находится в состоянии "0", сквозь нее пропускают ток Із1 (рис. 2.1.б). Электроны, которые в этом случае выходят из электрода Эл1, имеют магнитные моменты, ориентированные как вверх, так и вниз. Электроны с магнитным моментом, ориентированным вверх, легко проходят сквозь туннельный переход (ТП), а электроны с магнитным моментом, ориентированным вниз, накапливаются. И если их концентрация становится достаточной, ВФЭ перемагничивается в состояние "1". Пропускание тока записи "1" (Із1) сквозь ячейку, которая уже находится в состоянии "1", не изменяет состояние ячейки.
(рис 2.1) . Структура ячейки памяти МРОЗУ 2-го поколения. (а) Запись "0" и (б) запись "1" методом СТП; (в) зависимость электрического сопротивления магниторезистивной ячейки от величины тока сквозь нее; (г) поперечный срез магниторезистивной запоминающей ячейки (снимок в АСМ)
На рис. 2.1.в показана зависимость электрического сопротивления магниторезистивной ячейки от величины пропускаемого сквозь нее электрического тока. Зависимость эта асимметрична потому, что для перемагничивания в состояние "1" используются электроны с ориентированным вверх магнитным моментом, которые составляют большинство в ФФЭ, а для перемагничивания в состояние "0" используются электроны с ориентированным вниз магнитным моментом, которые составляют меньшинство в СФЭ. Поэтому критический ток ІК1 перемагничивания в состояние "1" в несколько раз больше, чем критический ток ІК0 перемагничивания в состояние "0".
На рис. 2.1.г показана нанофотография в атомном силовом микроскопе поперечного среза ячейки современной магниторезистивной памяти с вертикальной намагниченностью и записью информации методом СТП.
Критический ток, требуемый для перемагничивания методом СТП, быстро уменьшается с уменьшением размеров ячейки. Уже при размерах ячейки меньше 300 нм он становится меньше электрического тока, который надо подавать в адресную и разрядную шины для перемагничивания запоминающего элемента суммарным магнитным полем указанных токов. Поэтому МРОЗУ стали первыми промышленными изделиями, в которых уже широко используют метод СТП.
На рис. 2.1.в серым прямоугольником выделена область тех значений тока, которые используют для считывания информации из ячейки памяти. Это – совсем малые токи, достаточные для определения того, большое или малое сопротивление имеет ячейка, но явно недостаточные для ее перемагничивания.
Переход к вертикальной намагниченности и к записи информации методом СТП позволил значительно уменьшить площадь отдельных ячеек памяти и соответственно увеличить объем информации в одном кристалле (чипе); благодаря возможности параллельной записи слова значительно сократить время записи, а также уменьшить затраты энергии на запись до величины порядка 1 пДж/бит.
МРОЗУ с записью информации методом СТП считают "2-м поколением" магниторезистивной памяти. В англоязычных публикациях их называют STT MRAM (spin-torque-transfer MRAM), а еще более новые варианты, где, кроме метода СТП, используют также кратковременное локальное нагревание ячейки памяти во время записи, называют STT+ТА MRAM (STT + Thermally assisted MRAM) или ТА+STT MRAM. Показано, что размер ячейки такой памяти можно уменьшать вплоть до 10 нм, так что площадь ячейки определяется только ключевым транзистором. А время считывания информации в ультрабыстрых вариантах МРОЗУ доведено уже до 300 пс.
Разработаны также варианты быстрой магниторезистивной кэш-памяти. Магниторезистивная память со скоростью считывания и записи порядка 0,5-1 нс стала уже настолько перспективной, что российская компания РОСНАНО создает у себя совместное предприятие для выпуска микросхем такой памяти с французской компанией Crocus Technology.
Если присмотреться к структуре МРОЗУ и к описанной в предыдущей лекции технологии ее изготовления, то легко понять, что она хорошо сочетается с технологией производства КМДП схем. Поэтому ведущие мировые фирмы уже сейчас разрабатывают новые комбинированные микросхемы КМДП+МРОЗУ с объемной интеграцией, в которых "на первом этаже" (под поверхностью и на поверхности кристалла кремния) формируются КМДП логические схемы и процессорные блоки, а над ними, "на втором этаже" того же кристалла, формируется быстрая энергонезависимая магниторезистивная память. Расстояния между логикой и оперативной памятью становятся кратчайшими, что позволяет повысить системное быстродействие. Наличие "встроенной" энергонезависимой памяти значительно расширяет возможности программной настройки и перенастройки логики и процессорных блоков на нужные режимы работы.
Появилась дополнительная возможность реализации новых адаптивных архитектур процессоров на кристалле, их "специализации" под нужды конкретных пользователей.
Рассмотрим процессы спин-транспортного перемагничивания (СТП) в длинной ферромагнитной нанопроволоке с малым поперечным сечением, например, 30х10 нм, в которой сформированы области спонтанной намагниченности (домены) разной ориентации (рис. 2.2.а).
(рис 2.2) (а) Передвижение магнитных доменов в ферромагнитной нанопроволоке в результате СТП; (б) схема узла записи информации; (в) схема узла считывания информации
Если вдоль такой проволоки пропускать справа налево электрический ток І, то электроны проводимости в нанопроволоке будут двигаться слева направо. К междоменной стенке МС1 подходят в основном электроны с магнитным моментом, направленным вправо. Если сила тока превышает критическое значение СТП, то происходит перемагничивание, и междоменная стенка МС1 смещается вправо. Поскольку движение электронов проводимости слева направо происходит синхронно во всех сечениях ферромагнитной проволоки, то одновременно к междоменным стенкам МС2, МС3, … , МСі тоже подходят электроны. Но они в основном имеют магнитный момент, направленный параллельно направлению намагниченности предыдущего домена. В частности, к МС2 подходят электроны с магнитным моментом, ориентированным влево. В результате СТП доменная стенка МС2 тоже сдвигается вправо. К МС3 в тот же момент подходят в основном электроны с магнитным моментом, направленным вправо. В результате СТП магнитная стенка МС3 сдвигается вправо. Таким образом, под влиянием электрического тока І все магнитные домены, имеющиеся в ферромагнитной нанопроволоке, синхронно перемещаются слева направо. Подчеркнем, что движется лишь состояние намагниченности. Сама нанопроволока и все атомы в ней остаются при этом неподвижными.
Если сквозь ферромагнитную нанопроволоку на рис. 2.2.а пропускать электрический ток І слева направо, то все магнитные домены перемещаются навстречу – справа налево. Таким образом, магнитные домены можно "гонять" вдоль неподвижной ферромагнитной нанопроволоки вперед и назад.
Исследования показали, что критическая плотность тока и скорость движения доменных стенок, а, следовательно, и скорость движения доменов, зависят от материала, из которого сделана нанопроволока, от ее геометрии и от условий на ее границах. Критическая плотность тока составляет 1011-1014 А/м2 (0,1-100 мкА/нм2), а скорость движения доменов 5-500 м/с. В частности, для нанопроволоки из пермаллоя сечением 30х10 нм (с дополнительными слоями) для перемещения доменов требуется электрический ток порядка 30 мкА, а скорость перемещения достигает 100-500 м/с. Конечно же, такие физические возможности сразу же натолкнули на мысль о реализации устройств долговременной памяти, аналогичных накопителям информации на магнитных дисках или забытым накопителям на магнитных лентах, но теперь уже с неподвижным "железом" и с наноразмерами.
На рис. 2.2.б,в показаны возможные узлы записи и считывания информации в/из ферромагнитной нанопроволоки, внутри которой перемещаются магнитные домены. Здесь 1 – полупроводниковая пластина, 2 – ферромагнитная нанопроволока, сформированная на ее поверхности. Для записи информации (рис. 2.2.б) поперек ферромагнитной нанопроволоки проложена проводящая нанопроволока 3 (например, из золота) или углеродная нанотрубка (см. лекции 7 и 8). Если сквозь нее пропустить импульс электрического тока, то вокруг нее возникает магнитное поле, условно изображенное штриховой окружностью 4, достаточно сильное, чтобы намагнитить находящийся под ней участок ферромагнитной нанопроволоки в том или другом направлении (в зависимости от направления тока записи). Внутри полупроводниковой пластины 1 предварительно формируют электронную схему 5, которая в заданный момент вырабатывает и подает в нанопроволоку 3 требуемый импульс тока заданного направления.
Для считывания информации ( рис. 2.2.в) над ферромагнитной нанопроволокой 2 формируют магниторезистивную считывающую головку, которая состоит из сверхтонкого туннельного слоя 7, "фиксированного" ферромагнитного элемента 8 и металлических электродов 9 и 10. В зависимости от направления намагниченности домена 6, электрическое сопротивление "головки" будет меньше или больше. Соответствующие сигналы считывания вырабатывает электронная схема 11, предварительно сформированная внутри полупроводниковой пластины 2.
Нанопроволоки 1 из ферромагнетика (напр., пермаллоя или сплава Fe-Co) U-образной формы толщиной менее 100 нм и высотой 20-40 мкм устанавливают вертикально на поверхности пластины кремния 2, в которой сформированы электронные схемы управления памятью. Возле дна каждой нанопроволоки 1 сформированы также узлы записи и считывания информации 3. В половине каждой нанопроволоки могут быть записаны 75-280 доменов, в которых хранятся 64-256 битов информации, плюс определенное количество резервных битов для выявления и исправления единичных или двойных сбоев.
(рис 2.3) Принцип организации объемной трековой памяти
С помощью импульсов электрического тока ІПЕР того или другого направления записанные домены могут коллективно перемещаться из левой половины нанопроволоки в правую или наоборот за время порядка 100-200 нс. Электронные схемы управления позволяют адресно обращаться к любой нанопроволоке и за время 150-300 нс считать из нее или записать в нее все 64-256 бит информации.
Такая
Пока что реализованы исследовательские образцы лишь "плоской" трековой памяти, когда система запоминающих ферромагнитных "дорожек" формируется на поверхности полупроводниковой пластины с электронными схемами управления. В таком варианте тоже можно достичь неплохих результатов. Например, на "дорожке" с поперечным сечением 10х30 нм и периодом расположения доменов 25 нм на 1 мм длины можно хранить 40 кбит информации. Если такие "дорожки" расположены параллельно с периодом 200 нм, то на площади 1 мм2 размещается 5 тыс. "дорожек", в которых будут храниться 200 Мбит информации. Это не намного меньше плотности записи информации на современных жестких магнитных дисках. Зато имеем уже твердотельную память, не требующую высокоточных механических приводов, устойчивую против вибраций и ударов, для обслуживания которой не нужен дополнительный значительный объем.
До промышленного выпуска трековой памяти дело еще не дошло, поскольку не решены пока ряд проблем. Одной из них, например, является то, что электрический ток ІПЕР, требуемый для перемещения доменов, пока еще слишком велик. Из-за выделения джоулевого тепла ферромагнитная нанопроволока довольно сильно нагревается, что резко снижает надежность хранения информации в доменах малого размера.
Как и МРОЗУ, спинтронные логические элементы можно разделить на два "поколения". В первом для переключения логических элементов используется магнитное поле, а во втором – СТП. В англоязычной научно-технической литературе для первого поколения употребляют названия "Field-Induced Magnetization Switching (FIMS)" или "Field-programmable gate arrays (FPGA)", а для второго – "Current Induced Magnetization Switching (CIMS)".
Для построения логических схем обработки информации можно использовать спиновый вентиль (англ. spin valve), структура которого показана на рис. 2.4.а. Кроме магниторезистивной ячейки, в нем имеются гальванически развязанные от нее верхняя и нижняя управляющие шины (ВШ и НШ). Если пропустить сквозь одну из них импульс электрического тока, то создаваемое им магнитное поле перемагничивает "свободный" ферромагнитный элемент 2 в соответствующем направлении. Далее в схемах мы будем изображать такой спиновый вентиль в виде 6-полюсника (СВ6), показанного на рис. рис. 2.4.б. (Крестик в кружочке указывает на то, что при пропускании тока от В1 (или Н1) к В2 (или Н2) электрический ток течет в направлении "от нас"). Для реализации двухвходовых логических элементов в спиновом вентиле формируют не одну, а две гальванически развязанные верхние шины. Такой спиновый вентиль мы будем изображать в виде 8-полюсника (СВ8), показанного на рис. 2.4.в.
(рис 2.4) (а) Структура спинового вентиля: 1 – верхний электрод; 2 – "свободный" ферромагнитный элемент; 3 – туннельный слой; 4 – "фиксированный" ферромагнитный элемент; 5 – нижний электрод; ВШ и НШ – верхняя и нижняя управляющие шины. (б) Символ в схемах спинового вентиля СВ6; (в) символ спинового вентиля СВ8 с двумя верхними управляющими шинами
Если 6-полюсный спиновый вентиль (СВ6) включить по схеме, показанной на рис. 2.5.а, то он будет выполнять функции статического триггера.
(рис 2.5) (а) Схема спинтронного статического триггера; (б) схема спинтронного инвертора; (в) последовательность подачи сигналов; (г) схема логического элемента "Тождество"; (д) схема спинтронной "защелки"
Здесь выходы В2 и Н2 управляющих шин заземлены. Импульс тока на вход В1 используют для установки триггера в состояние "1" (когда сопротивление магниторезистивного элемента относительно мало), а импульс тока на вход Н1 используют для установки триггера в состояние "0" (когда сопротивление магниторезистивного элемента относительно велико). Когда на вход питания (П) подают постоянное положительное напряжение, то с выхода (Вых) течет постоянный электрический ток: относительно малый в состоянии "0" и относительно большой в состоянии "1". Когда на вход питания (П) подают положительные импульсы напряжения, то с выхода (Вых) вытекают импульсы тока: относительно малые в состоянии "0" и относительно большие в состоянии "1". В зависимости от амплитуды положительного напряжения на входе питания (П) величина импульса тока на выходе (Вых) может быть равной или даже больше чем амплитуда входных импульсов. Таким способом легко реализовать требуемое усиление сигнала.
Если СВ6 включить по схеме, показанной на рис. 2.5.б, то он выполняет функции логического инвертора. В этом случае заземляют входы В1 и Н1 управляющих шин. Логическую операцию выполняют в 3 такта, показанных на рис. рис. 2.5.в. Первым во времени на вход Н2 подают импульс восстановления начального состояния (ВНС). Поскольку в этом случае ток через нижнюю управляющую шину течет "к нам", то, независимо от того, в каком состоянии находится магниторезистивный элемент, этот импульс устанавливает его в состояние "1". Во втором такте на вход В2 подают входной логический сигнал. Импульс тока значительной амплитуды соответствует логической "1", а импульс относительно малой амплитуды – логическому "0". При подаче логического "0" магниторезистивный элемент остается в состоянии "1", а при подаче логической "1" переключается в состояние "0". Наконец (в 3-м такте) на вход питания (Т) подают положительный импульс напряжения, и с выхода (Вых) вытекает относительно большой импульс тока, если на вход был подан "0", и относительно малый импульс тока, если на вход была подана "1".
Если СВ6 включить по схеме, показанной на рис. 2.5.г, то он будет выполнять функции логического тождества (повторителя). В этом случае заземляют выходы управляющих шин В2 и Н2. Первым во времени на входН1 подают импульс ВНС, и магниторезистивный элемент оказывается в состоянии "0". Потом на вход В1 подают входной логический сигнал. Если он "0", то магниторезистивный элемент остается в состоянии "0"; если "1", то переходит в состояние "1". В 3-м такте на вход питания (Т) подают положительный импульс напряжения, и с выхода (Вых) вытекает импульс тока, который с задержкой во времени воссоздает входной логический сигнал.
Наконец, если СВ6 включить по схеме, показанной на рис. 2.5.д, то он будет выполнять функции логической "защелки". Импульс тока восстановления (Восст) подают на вход Н1 лишь в начале периода наблюдения. В течение этого периода на вход В1 поступают логические сигналы. Если среди них встретится хотя бы один сигнал "1", то магниторезистивный элемент переключается в состояние "1" и остается в нем. В конце периода наблюдения на вход питания (Т) подают положительный импульс напряжения, и с выхода (Вых) вытекает импульс тока "1", если поступил хотя бы один входной сигнал "1", и незначительный импульс тока ("0"), если ни одного такого сигнала не было.
Еще больше возможностей для реализации логических схем предоставляет спиновый вентиль СВ8. Если его включить по схеме, показанной на рис. 2.6.а, то он выполняет функции логической дизъюнкции (OR). В первом такте импульс электрического тока ВНС переводит магниторезистивный элемент в состояние "0". Во втором такте на входы ВхА и ВхВ подают входные сигналы А и В. Если хотя бы один из них является логической "1", то он переключает магниторезистивный элемент в состояние "1". И при следующей подаче положительного импульса напряжения на вход питания (Т) с выхода (Вых) вытекает импульс тока "1". Если же на оба входа поступают относительно малые импульсы тока (логические "0"), то магниторезистивный элемент остается в состоянии "0". И в 3-м такте на выходе формируется тоже незначительный импульс тока (логический "0").
Если СВ8 включить по схеме, показанной на рис. 2.6.б, то он выполняет логическую функцию $$\overline{A}B$$. В первом такте импульсом ВНС магниторезистивный элемент переводится в состояние "0". Если во 2-м такте на оба входа поступают логические "0", то магниторезистивный элемент остается в состоянии "0", и в 3-м такте с выхода вытекает незначительный электрический ток ("0"). Если во 2-м такте на вход А поступает "0", а на вход В сигнал "1", то магниторезистивный элемент переходит в состояние "1", и в 3-м такте на выходе (Вых) формируется относительно большой импульс тока (логическая "1"). Если во 2-м такте на вход А поступает "1", а на вход В "0", то магниторезистивный элемент остается в состоянии "0", и в 3-м такте на выходе (Вых) имеем "0". Если во 2-м такте на оба входа поступают "1", то создаваемые верхними управляющими шинами магнитные поля имеют противоположное направление и компенсируют друг друга. Магниторезистивный элемент остается в состоянии "0", и в 3-м такте на выходе (Вых) тоже имеем "0".
(рис 2.6)
Схемы некоторых логических элементов на спиновом вентиле СВ8: (а) дизъюнкция (OR); (б$$\overline{A}$$B; (в) $$\overline{A\vee B}$$(NOR); (г) $$\overline{A}vee B$$
Если СВ8 включить по схеме, показанной на рис. рис. 2.6.в, то он выполняет логическую функцию $$\overline{A}vee B$$. В первом такте импульсом ВНС магниторезистивный элемент переводится в состояние "1". Если во 2-м такте на оба входа подаются логические "0", то магниторезистивный элемент остается в состоянии "1", и в 3-м такте на выходе имеем "1". Если же во 2-м такте хотя бы на один из входов подается логическая "1", то магниторезистивный элемент переводится в состояние "0", и в 3-м такте на выходе имеем "0".
Если СВ8 включить по схеме, показанной на рис. 2.6.г, то он выполняет логическую функцию
Возможен также вариант логики, когда на входы А и В спинового вентиля СВ8 подают импульсы электрического тока, равные по амплитуде лишь половине тока, требуемого для переключения магниторезистивного элемента в другое состояние. Тогда СВ8, включенный по схеме на рис. 2.6.а, выполняет функции логической конъюнкции (AND), поскольку магниторезистивный элемент переключается в состояние "1" лишь тогда, когда на оба входа поступают "половинные" импульсы тока.
Как видим, логические возможности спинтронных вентилей с переключением магнитным полем достаточно широки. Эти вентили образуют технически полную систему логических элементов и могут реализовать любые логические преобразования. Время перемагничивания "свободного" ферромагнитного элемента (при малых размерах) составляет 20-50 пс. Следовательно, все 3 такта цикла выполнения логических операций могут занимать не более 150 пс. Это и есть задержка распространения сигнала на одно звено сложной логической схемы.
Потребляемая в каждом такте мощность для магниторезистивных элементов размером порядка 20-30 нм тоже относительно невелика – до 1 мВт. Поэтому энергия, потребляемая на выполнение одной логической операции, составляет приблизительно 1 мВт х 100 пс = 100 фДж. Следовательно, по всем техническим параметрам (быстродействие, энергопотребление, размеры и соответственно возможности интеграции) логика на спиновых вентилях является конкурентоспособной. Вдобавок она имеет еще и такие преимущества, как высокая радиационная стойкость, возможность работать при температурах до 300 °С и даже выше, стойкость против обычных электромагнитных помех. Поэтому она уже находит применение в спецтехнике. Основным сдерживающим фактором для широкого ее применения являются высокие требования к идентичности характеристик спиновых вентилей, а следовательно, к технологии их изготовления и к качеству материалов.
К первому поколению спинтронных логических элементов следует отнести также т.н. (рис 2.7) (а) Типичная форма ферромагнитных элементов МКА. (б) Антиферромагнитное упорядочение. (в) Упорядочение при стыковке магнитными полюсами. (г) Мажоритарная логическая схема. (д, е) Примеры ее работы. (ж) Антимажоритарная схема. (з) Один из примеров ее работы
Если несколько ФНЭ разместить рядом длинными сторонами друг к другу ( рис. 2.7.б, типичное расстояние 15-30 нм), то устойчивое состояние (наименьшая потенциальная энергия) достигается тогда, когда направления намагниченности соседних ФНЭ противоположны. Поэтому строка расположенных таким образом ФНЭ автоматически приобретает антиферромагнитную намагниченность. Если же ФНЭ расположены рядом магнитными полюсами друг к другу ( рис. 2.7.в), то наименьшая потенциальная энергия достигается тогда, когда направления намагниченности соседних элементов совпадают.
Используя указанные свойства взаимодействия ФНЭ, можно построить их конфигурации, выполняющие те или иные логические функции. На рис. 2.7.г показана наиболее употребляемая конфигурация, выполняющая логическую функцию мажоритарного элемента Μ(A,B,C) На рис. 2.7.д показан один из примеров ее работы. Здесь входные ФНЭ внешними силами переведены в конкретные состояния намагниченности. Если считать намагниченность вверх логическим "0", а намагниченность вниз логической "1", то А = 0, В = С = 1. На ФНЭ, обозначенный цифрой 1, сверху действует сила, стремящаяся развернуть его намагниченность вверх, снизу – сила, стремящаяся развернуть его намагниченность вниз, и слева – сила, которая тоже стремится развернуть его намагниченность вниз. Суммарное действие двух последних сил побеждает, и намагниченность элемента 1 разворачивается вниз. Поэтому и выходной ФНЭ имеет намагниченность вниз, т.е. приходит в состояние логической "1". Т.е. на выходе имеем состояние, которое совпадает с состоянием большинства входных элементов.
На рис. 2.7.е показан еще один пример работы мажоритарного логического элемента. Здесь входные ФНЭ внешними силами переведены в состояния А = С = 0, В = 1. На ФНЭ, обозначенный цифрой 2, сверху и снизу действуют силы, стремящиеся развернуть его намагниченность вверх, а слева – сила, стремящаяся развернуть его намагниченность вниз. Суммарное действие первых двух сил побеждает, и намагниченность элемента 1 разворачивается вверх. Поэтому и выходной ФНЭ имеет намагниченность вверх, т.е. приходит в состояние логического "0".
Благодаря антиферромагнитному упорядочению горизонтальных строк логическая операция отрицания реализуется очень просто – добавлением или удалением одного ФНЭ в строке. На рис. 2.7.ж показана конфигурация, реализующая логическую функцию антимажоритарного элемента $$\overline {M}(A,B,C)$$. Один из конкретных примеров ее работы показан на рис. 2.7.з. Здесь А = 0, В = С = 1. На ФНЭ, обозначенный цифрой 1, сверху действует сила, которая стремится развернуть его намагниченность вверх, снизу – сила, стремящаяся развернуть его намагниченность вниз, и слева - сила, тоже стремящаяся развернуть его намагниченность вниз. Суммарное действие двух последних сил побеждает, и намагниченность элемента 1 разворачивается вниз. Поэтому выходной ФНЭ имеет намагниченность вверх, т.е. приходит в состояние логического "0".
Описанные мажоритарные логические схемы могут выполнять логические функции AND, OR, NAND, NOR, а именно: $$М(A,В,0) = AВ,\ М(A,В,1) = A\vee В,\ \overline{М}(A,В,0) = \overline{AB}, \ \overline{М}(A,В,1) = \overline{A\vee В}$$. Они образуют функционально полный набор логических элементов, и поэтому с помощью сети МКА можно реализовать любые, даже довольно сложные процессоры.
Для того, чтобы формировать заданные состояния входных ФНЭ и считывать состояния выходных ФНЭ сети МКА, можно использовать, например, узлы записи и считывания ( рис. 2.2.б,в) такие же, как и в описанной выше трековой памяти.
С целью уменьшения энергопотребления при переключении ФНЭ из одного состояния в другое и ускорения этого переключения часто применяют магнитное поле, перпендикулярное к направлению намагниченности ФНЭ. В таком поле намагниченность ФНЭ принудительно разворачивается перпендикулярно к оси легкого намагничивания, т.е. приводится в нейтральное состояние, из которого ФНЭ может легко перейти в любое из стабильных состояний. Такое пульсирующее внешнее магнитное поле создается на короткое время непосредственно перед подачей новых входных данных и выключается при их поступлении. Оно как бы "стирает", нейтрализует все предыдущие состояния и значительно облегчает и ускоряет переход ФНЭ в новые состояния в соответствии с новыми входными данными.
Заметим еще, что нередко описанную сеть ФНЭ называют "магнитными клеточными автоматами на квантовых точках" ("magnetic quantum-dot cellular automata"), что является неточным. ФНЭ указанных размеров (≈ 20 х 60 х120 нм) не являются настоящими квантовыми точками в том плане, что их размеры еще значительно превышают длину волны де Бройля для носителей заряда. И о квантовых вычислениях здесь речь еще не идет.
Во "втором поколении" логических схем на спинтронных вентилях используют явление спин-транспортного перемагничивания (СТП). СТП вариант описанной выше логики на наномагнитах отличается только тем, что для формирования требуемых состояний входных ФНЭ используют явление СТП. С этой целью входные ФНЭ выполняют в виде магниторезистивных ячеек, показанных на рис. 2.8.а.
(рис 2.8) (а) Входной и (б) выходной ФНЭ логики на наномагнитах 2-го поколения
Входной ФНЭ состоит из нижнего электрода 1, "свободного" ферромагнитного слоя 2, туннельного слоя 3, "фиксированного" ферромагнитного слоя 4 и верхнего электрода 5. При пропускании электрического тока того или иного направления "свободный" ферромагнитный слой входного ФНЭ принудительно намагничивается в заданном направлении. А затем его влияние распространяется на последующие ФНЭ 6, 7, 8, … Аналогично выходной ФНЭ ( рис. 2.8.б) состоит из нижнего электрода 1, "свободного" ферромагнитного слоя 2, туннельного слоя 3, "фиксированного" ферромагнитного слоя 4 и верхнего электрода 5. Но направление намагниченности "свободного" ферромагнитного слоя 2 зависит здесь от состояния предыдущих ФНЭ 9, 10, 11. В зависимости от этого электрическое сопротивление выходной магниторезистивной ячейки будет относительно большим или относительно малым.
Простая магниторезистивная туннельная ячейка с записью информации методом СТП оказалась малопригодной для построения логических схем. Ведь ток считывания из нее должен быть намного меньше тока перемагничивания (рис. 2.1.в), что не позволяет выходы предыдущих логических элементов непосредственно подключать ко входам следующих. И потому большинство разработок спинтронных логических схем 2-го поколения пошло по пути сочетания спинтронных логических вентилей с КМДП схемами. Из всего разнообразия предложенных вариантов мы рассмотрим лишь некоторые.
Вариант реализации мажоритарной (рис 2.9) Структура мажоритарной логической схемы с латеральным СТП. Вверху – вид в плане, внизу – вид в разрезе вдоль линии Н-Н
Она состоит из "свободного" ферромагнитного элемента 1, входных элементов 2, 3 и 4 и выходного элемента 5. Структура в поперечном сечении вдоль линии Н-Н показана внизу. Здесь Подл – подложка, на которой сформированы все элементы; Д – диэлектрик; СФС – "свободный" ферромагнитный слой; ТС – туннельный слой; ФФС – "фиксированный" ферромагнитный слой; ЭлВ – металлические верхние электроды; ЭлН – металлический нижний электрод выходного элемента, который обычно заземляют. Когда на электрод одного из входных элементов (2, 3 или 4) подают положительный импульс напряжения или электрического тока, то ток течет от него сквозь СФС к электроду ЭлН. Этот электрический ток спин-поляризован и переносит к выходному элементу магнитный момент, ориентированный вправо. Когда же на электрод подают отрицательный импульс напряжения (тока), то спин-поляризованный электрический ток переносит к выходному элементу магнитный момент, ориентированный влево. Это и называют "латеральным переносом спина".
К области СФС, расположенной в выходном элементе, стекаются спин-токи от всех трех входов ( iА, iВ и iС). Поэтому эта область перемагничивается в направлении, определяемом алгебраической суммой магнитных спин-токов. Состояние выходной магниторезистивной ячейки является логической функцией Μ(A,B,C) от логических значений входных токов (напряжений).
На рис. 2.10показана структура мажоритарной логической схемы с использованием однодоменного СТП.
(рис 2.10) Структура мажоритарной логической схемы с однодоменным СТП. Внизу – вид в разрезе, вверху – вид в плане
Она состоит из однодоменного "свободного" ферромагнитного элемента 1 типа описанного выше ФНЭ, из входных элементов 2, 3 и 4 и выходного элемента 5. Структура последних показана внизу в поперечном разрезе. Здесь Подл – подложка, на которой сформированы все элементы; ЭлН – металлический слой, который образует общий для всех элементов нижний электрод; СФС – "свободный" ферромагнитный слой, который в силу нанометровых размеров представляет собой единый магнитный домен с осью легкого намагничивания в направлении большего размера; ТС – туннельный слой; ФФС – "фиксированный" ферромагнитный слой; ЭлВ – металлические верхние электроды. Общий нижний электрод (ЭлН) обычно заземляют.
Когда на электрод одного из входных элементов (2, 3 или 4) подают положительный импульс напряжения или электрического тока, то под ним из СФС приходят в движение вверх электроны. Сквозь туннельный слой (ТС) в ФФС проходят в основном электроны со спином, ориентированным вправо (в направлении намагниченности ФФС), а электроны с противоположно ориентированным спином накапливаются. И когда их становится достаточно много, они перемагничивают СФС влево.
Когда же на электрод входного элемента (2, 3 или 4) подают отрицательный импульс напряжения (тока), то под ним из ФФС вниз движутся электроны со спином, ориентированным в основном вправо. И если их достаточно много, то они перемагничивают СФС вправо.
Состояние магнитного домена, когда одна часть его объема намагничена в одном направлении, а другая – в другом, не является стабильным. Поэтому вскоре после окончания импульсов напряжения (тока), поданных на три входа, весь объем домена намагничивается в направлении, соответствующем усилиям большинства входов. В этом, "мажоритарном", направлении намагничивается и та часть домена, которая входит в состав выходного элемента. Таким образом, состояние выходного элемента является логической функцией Μ(A,B,C) входных сигналов.
Выходом мажоритарных логических схем в обоих случаях (рис. 13.9 и 13.10) является состояние выходной магниторезистивной ячейки, т.е. большое или малое сопротивление электрическому току. Непосредственное присоединение этого выхода ко входам других таких же логических схем не обеспечивает надежного функционирования, т.е. такие схемы не образуют технически полную систему элементов. В качестве "посредника" между ними используют КМДП транзисторные схемы. Как мы уже писали выше, технологии КМДП и "магнитной логики" совместимы. "Магнитная логика" может быть сформирована "на втором этаже" – непосредственно над КМДП транзисторными схемами. Выигрыш при этом заключается в том, что площадь спинтронной мажоритарной схемы очень мала (площадь одного магнитного домена). Меньше оказывается и потребляемая мощность. И вдобавок состояние выходных магниторезистивных ячеек запоминается и сохраняется даже при выключении питания, что для многих применений может быть очень важным.
Опишем еще один вариант реализации логических схем – с использованием т.н. "нелокального" СТП. В предыдущей лекции (п. 5) мы рассказали, что происходит на контакте феромагнетика (ФМ) с нормальным (не ферромагнитным) проводником (НП) и показали возможность инжекции в нормальный проводник спин-поляризованного электрического тока и последующей диффузии спин-поляризованных носителей заряда на достаточно большие расстояния. Схема (рис 2.11) Вверху - схема нелокального СТП; внизу - схема двухэтапного нелокального СТП
Когда на вход подают отрицательный импульс напряжения, из "фиксированного" ферромагнитного слоя (ФФС) сквозь туннельный слой (ТС) в медный проводник (Cu) инжектируются электроны с магнитным моментом, ориентированным направо. Медь выбрана потому, что она имеет довольно большое значение λC ≈ 1 мкм, так что спин-поляризованные электроны в ней легко распространяются на расстояния во много сотен нанометров. Дойдя до "свободного" ферромагнитного слоя (СФС) выходной магниторезистивной туннельной ячейки (МТЯ), они стремятся намагнитить ее в "своем" направлении. И когда их достаточно много, это им удается. Если же на вход подать положительный импульс напряжения, то сквозь туннельный слой (ТС) из медного проводника (Cu) в "фиксированный" ферромагнитный слой (ФФС) инжектируются преимущественно электроны с магнитным моментом, ориентированным вправо. Поэтому в медном проводнике возрастает концентрация электронов с магнитным моментом, ориентированным влево. Диффундируя к СФС, они стремятся намагнитить его влево. Таким образом, с помощью инжекции спин-поляризованного тока удается перемагнитить МТЯ, расположенную на довольно большом (в масштабах наномира) расстоянии.
Однако в описанном режиме плотность тока, необходимая для нелокального СТП, довольно велика. Дальнейшее усовершенствование позволило значительно ее уменьшить. Принцип показан на рис. 2.11 внизу. Процесс нелокального СТП разделяется на 2 этапа. Сначала с помощью импульса напряжения, приложенного между электродами 1 и 2, вызывают инжекцию спин-поляризованных электронов из ФФС в медный проводник, откуда они довольно быстро диффундируют вплоть до СФС выходного элемента (справа). Потом между электродами 4 и 5 подают импульс напряжения значительно большей амплитуды ("импульс записи"). Инжектированные из ФФС выходного элемента спин-поляризованные электроны вызывают магнитное возмущение прилегающего СФС, который оказывается в нестабильном состоянии. После окончания импульса записи СФС должен вернуться в одно из своих стабильных состояний. И вот здесь решающую роль играют спин-поляризованные электроны, накопленные рядом с ним в "соединительной" медной шине 7. Они заставляют СФС перейти в стабильное состояние с намагниченностью именно в их направлении. Если импульс записи своевременно не подается, то спустя относительно короткое (порядка 1 нс) время релаксации спинов tCP поданный импульс инжекции ограничивается лишь перемагничиванием СФС входного элемента. В следующий раз инжекцию спин-поляризованных электронов в "соединительную" медную шину 7 можно выполнить, подавая импульс напряжения еще меньшей амплитуды между электродами 2 и 3. Инжектированные электроны будут иметь ориентацию магнитного момента, соответствующую намагниченности СФС входного элемента.
В свою очередь, СФС выходного элемента может стать источником спин-поляризованных электронов для следующего логического вентиля (расположенного справа от выходного), если подать импульс инжекции между электродами 5 и 6. Это открывает возможность разветвления и каскадного соединения нескольких последовательных логических схем, основанных на явлении нелокального СТП.
Структура мажоритарной логической схемы с использованием нелокального СТП подобна показанной на рис. 2.9 вверху. Легко могут быть реализованы также 3-входовые логические схемы NAND, NOR и прочие. В ряде научных публикаций описана, например, реализация на такой элементной базе арифметико-логических схем полного сумматора (с переносом в старший разряд) и др.
Проанализирована эффективность спинтронных устройств обработки информации 2-го поколения в комбинации с КМДП схемами со структурой, показанной на рис. 2.12. Здесь 1 – пластина кремния, 2 – слой окисла на ее поверхности. В пластине кремния по КМДП технологии сформированы входные схемы (ВхС), схемы подачи тактовых импульсов (СТ), узлы усиления и коммутации сигналов (УУК) и выходные схемы (ВыхС). Над поверхностью окисла (2), на "втором этаже", сформированы спинтронные логические схемы (СЛС).
(рис 2.12) Структура СП-КМДП арифметико-логических блоков
Схемы ВхС получают извне входную информацию и превращают ее в соответствующие входные сигналы для СЛС. Схемы СТ обеспечивают нужными тактовыми импульсами процесс обработки данных в СЛС. Через несколько логических каскадов выходные сигналы СЛС усиливаются в УУК, коммутируются и подаются на входы следующих СЛС, где продолжают быстро обрабатываться. Выходные сигналы завершающего звена СЛС усиливаются, форматируются и выдаются вовне КМДП схемами ВыхС.
Если за критерий для сравнения взять реализацию полного 32-разрядного двоичного сумматора, то при проектно-технологической норме 15 нм по такому интегральному показателю, как удельная скорость вычислений в петаоперациях (1015 операций) в секунду на 1 см2 площади микросхемы, СП-КМДП вариант (при условии выделения при функционировании мощности не более 1 Вт/см2), обеспечивая 4*1015 операций/(с*см2), опережает все другие нанотехнологии. Конкурируют с ним только интегральные схемы на транзисторах с нанополосками графена (см. лекцию 9). Но перед ними СП-КМДП вариант имеет такие важные преимущества, как энергонезависимость и способность к реконфигурации.
Возможность целенаправленно изменять электрическое сопротивление магниторезистивных ячеек и пороговый характер СТП сделали их перспективными и для построения на их основе устройств т. н. "пороговой" логики. В ней используются "пороговые" логические вентили (англ. Threshold Logic Unit, TLU), являющиеся упрощенным аналогом биологических нейронов (рис. 2.13.а). Их входные и выходные сигналы являются двоичными, но внутри происходит относительно сложная обработка сигналов. Каждому входному сигналу (xi) ставится в соответствие его "удельный вес" wi (действительное число), характеризующий степень его значимости. Сигналы, умноженные на их "удельный вес", складываются, и результат сравнивается с установленным на основании предыдущего опыта "порогом" wΠ. Выходом вентиля является логическая "1", если $$$ \mathit{ \sum x_{iwi} \ge w_\Pi } $$$, либо логический "0", если $$$ \mathit{ \sum x_{iwi} < w_\Pi } $$$.
"Удельный вес" того или иного входа могут задавать магниторезистивные ячейки, электропроводность которых зависит от направлений намагниченности "фиксированного" и "свободного" ферромагнитных элементов. При параллельной ориентации намагниченностей электропроводность относительно высока, при антипараллельной – значительно меньше.
(рис 2.13) (а) Функциональная схема порогового элемента ("искусственного нейрона"); (б) и (в) структура магниторезистивного элемента с двумя и с четырьмя значениями электропроводности
На рис. 2.13.б показана структура магниторезистивной ячейки, в которой нижний ферромагнитный слой состоит из двух "фиксированных" ферромагнитных элементов (ФФЭ) и одного "свободного" (СФЭ). Пропуская импульс электрического тока того или иного направления между электродами 2 и 3, можно перемагнитить СФЭ параллельно или антипараллельно к намагниченности верхнего ФФЭ. Это состояние запоминается, и в дальнейшем электропроводность G между электродами 1 и 2 (или 1 и 3) остается заданной – высокой или низкой.
На рис. 2.13.в показана структура магниторезистивной ячейки, в которой нижний ферромагнитный слой состоит из трех "фиксированных" ферромагнитных элементов (ФФЭ) и двух "свободных" (СФЭ). Пропуская импульс электрического тока того или иного направления между электродами 1, 2 и 3, каждый из СФЭ можно независимо перемагнитить параллельно или антипараллельно к намагниченности соответствующего верхнего ФФЭ. Состояния обоих СФЭ запоминаются, и в дальнейшем электропроводность G между электродом 1 и электродом 2 (или 3) остается заданной и может иметь уже одно из 4-х значений. Увеличивая число "фиксированных" и "свободных" ферромагнитных элементов, можно построить магниторезистивные ячейки с 8, 16 и т.д. разными значениями электропроводности. Но для практики обычно достаточно 2-4 значений. Отметим, что размеры этих ферромагнитных элементов составляют примерно 20 × 60 нм, и каждый из них представляет собой один единственный магнитный домен. Следовательно, размеры магниторезистивной ячейки на рис. 2.13.в составляют около 100 × 60 нм. Это – наноразмерный элемент.
Одна из новейших функциональных схем магниторезистивного порогового вентиля на 3 входа показана на рис. 2.14. Входы здесь являются двухканальными: каждый состоит из двух "ветвей": "+" и "–". Когда на вход подается логическая "1", то на ветвь "+" приходит импульс напряжения положительной полярности и одновременно на ветвь "–" – импульс отрицательной полярности. Отсутствие импульсов означает логический "0". И ко входу "+", и ко входу "–" подключена своя магниторезистивная ячейка. В шине сложения (ШС) токи $$$ \mathit {UG_{i+}}$$$ и $$$ \mathit {UG_{i-}}$$$, протекающие сквозь эти ячейки, вычитаются.
(рис 2.14) (Cхема магниторезистивного порогового вентиля (искусственного нейрона) на 3 входа
Все вместе 6 магниторезистивных ячеек левого столбца составляют блок умножения входных сигналов на их "удельные веса" (БУУВ). К шине сложения (ШС) подключены также выходы двух магниторезистивных ячеек правого столбца, составляющих вместе блок формирования порогового значения (БФПЗ). Из этих ячеек в шину сложения втекают токи $$$ \mathit {UG_{\Pi+}}$$$ и $$$ \mathit {UG_{\Pi-}}$$$, где $$$ \mathit {G_{\Pi+}}$$$ и $$$ \mathit {G_{\Pi-}}$$$ – электропроводности соответствующих магниторезистивных ячеек, каждая из которых может иметь одно из 4-х значений. Эти значения, как и значения всех $$$ \mathit {G_{i+}}$$$ и $$$ \mathit {G_{i-}}$$$ (і = 1, 2, 3), предварительно устанавливаются и при необходимости могут быть изменены через входы ввода уставок (Уст). Из шины сложения (ШС) в выходную магниторезистивную ячейку втекает суммарный (∑) ток $$$$ {\sum = U [x_1( G_{1+} - G_{1-} ) + x_2( G_{2+} - G_{2-} ) + x_3( G_{3+} - G_{3-} ) + x_\Pi( G_{\Pi+} - G_{\Pi-} ) ]. } $$$$
Если этот ток превышает пороговое значение тока СТП "свободного" ферромагнитного элемента, то последний перемагничивается в другое состояние. Потенциал точки Т при этом существенно изменяется, и на выходе выходного блока (ВыхБ) формируется сигнал "1". В противном случае формируется сигнал логического "0". Как видно из формулы (2.1), описанная организация позволяет задавать и использовать не только положительные, но и отрицательные (когда Gi- > Gi+ ) весовые коэффициенты и сдвигать порог срабатывания "нейрона" как в положительном, так и в отрицательном направлениях.
Магниторезистивный пороговый вентиль размерами примерно 500 × 300 нм функционирует при следующих параметрах сигналов: 50 мВ; пороговый ток СТП ≈ 2 мкА; паразитная емкость внутренних межсоединений порядка 10 фФ; энергия срабатывания вентиля около 20 аДж; частота тактовых импульсов порядка 1 ГГц.
Это – новая наноэлектронная элементная база, открывающая "второе дыхание" для работ по созданию и применению нейрокомпьютеров, в которых используется стиль обработки информации, выбранный живой природой. Не исключено, что именно такая элементная база позволит успешно претворить в жизнь амбициозный проект "Человеческий мозг", стартовавший недавно в швейцарской Лозанне. Совмещение логики и памяти, массовый параллелизм обработки информации, начиная уже с самого нижнего системного уровня, – очень привлекательные особенности этого стиля.
Ток перемагничивания методом СТП быстро уменьшается с уменьшением размеров ячейки. Уже при размерах ячейки меньше 300 нм критический ток, необходимый для перемагничивания этим методом, становится ниже электрического тока, необходимого для перемагничивания запоминающего элемента магнитным полем. Поэтому МРОЗУ стали первыми промышленными изделиями, в которых ныне уже широко используют метод СТП. Размер запоминающей ячейки МРОЗУ можно уменьшать аж до 10 нм. А время считывания информации в ультрабыстрых вариантах доведено уже до 300 пс.
Ведущие мировые корпорации уже сейчас разрабатывают новые комбинированные микросхемы КМДП+МРОЗУ с объемной интеграцией, в которых "на первом этаже" (под поверхностью и на поверхности кристалла кремния) формируют КМДП логические схемы и процессорные блоки, а над ними, "на втором этаже" того же кристалла формируют достаточно быструю энергонезависимую магниторезистивную память. Расстояния между логикой и оперативной памятью становятся кратчайшими, что позволяет повысить системное быстродействие. Благодаря тому, что "встроенное" МРОЗУ является энергонезависимым, значительно возрастают возможности программной настройки и перенастройки логики и процессорных блоков на требуемые режимы работы. Появилась возможность реализации новых адаптивных архитектур процессоров на кристалле, их "специализации" в соответствии с задачами конкретных пользователей.
Возможность быстрого (порядка 100 м/с) перемещения магнитных доменов вдоль ферромагнитного проводника при пропускании спин-поляризованного электрического тока позволяет реализовать быструю "трековую" память – наноэлектронный аналог прежних накопителей на магнитной ленте. "Объемная" реализация такой памяти обеспечивает плотность записи информации на порядки выше, чем в других видах полупроводниковой памяти. А "плоская" реализация позволяет создать твердотельную память с плотностью записи порядка 1010 бит/см2, лишь немного уступающей магнитным дискам. Но ей уже не нужны высокоточные механические приводы, она не боится вибраций и ударов, для ее обслуживания не нужен дополнительный объем.
Как и МРОЗУ, спинтронные устройства обработки информации можно условно разделить на два "поколения". В первом для переключения логических элементов используют магнитное поле, а во втором – СТП. Логические возможности спинтронных вентилей с переключением магнитным полем весьма широки. Из них можно создать технически полную систему логических элементов с циклом выполнения логических операций порядка 150 пс и энергией переключения на одну логическую операцию порядка 100 фДж. К тому же они имеют еще и такие преимущества, как высокая радиационная стойкость, возможность работы при температурах до 300 °С и даже выше, стойкость к обычным электромагнитным помехам.
К первому поколению спинтронных логических элементов относится также "логика на наномагнитах", которую именуют также "магнитные клеточные автоматы" (МКА). Для построения такой логики используют продолговатые ферромагнитные элементы, имеющие выраженную анизотропию формы, которые в равновесии могут пребывать только в состояниях намагниченности вдоль длинной оси. На таких элементах можно легко реализовать мажоритарную и антимажоритарную логические функции, а также логические функции AND, OR, NAND, NOR и т.д. Они образуют функционально полный набор логических элементов, и поэтому с помощью сети МКА можно строить достаточно сложные процессоры. Для уменьшения энергопотребления при переключениях наномагнитов из одного состояния в другое и ускорения переключений часто используют импульсное магнитное поле, перпендикулярное к направлению намагниченности ФНЭ. Во "втором поколении" логики на наномагнитах для формирования требуемых входных состояний используют явление СТП.
Спинтронные логические схемы 2-го поколения строят с использованием латерального, однодоменного или нелокального СТП. Для их функционирования требуются тактовые импульсы, а также усиление выходных сигналов и их формирование для воздействия на входы следующих логических каскадов. Поэтому разработки этих схем пошли путем сочетания спинтронных вентилей с КМДП схемами. Выигрыш при этом состоит в том, что площадь спинтронной мажоритарной схемы весьма мала (площадь одного магнитного домена). Уменьшается и потребляемая мощность. К тому же состояния выходных магниторезистивных ячеек запоминаются и сохраняются даже при выключении питания, что для многих применений оказывается очень важным. Предложены и разрабатываются перспективные комбинированные интегральные микросхемы, в которых в пластине кремния по КМДП технологии сформированы входные схемы, схемы подачи тактовых импульсов, схемы усиления и коммутации сигналов и выходные схемы, а над поверхностью окисла, на "втором этаже", сформированы спинтронные логические схемы.
Если в качестве критерия сравнения взять реализацию полного 32-разрядного двоичного сумматора, то при проектно-технологической норме 15 нм по такому интегральному показателю, как удельная скорость вычислений в петаоперациях (1015 операций) за секунду на 1 см2 площади микросхемы, комбинированный (СП+КМДП) вариант при условии выделения при функционировании мощности не более 1 Вт/см2, обеспечивает 4*1015 операций/(с*см2) и по этому показателю опережает почти все другие нанотехнологии. Конкурируют с ним только интегральные схемы на транзисторах с нанополосками графена. Но перед ними СП+КМДП вариант имеет такие важные преимущества, как энергонезависимость и возможность реконфигурации.
Предложен и исследован вариант магниторезистивного порогового вентиля на 3 входа, являющийся аналогом биологического нейрона. Имея размеры примерно 500 × 300 нм, он может работать на тактовой частоте порядка 1 ГГц, рассеивая за один такт энергию порядка 20 аДж. Эта новейшая наноэлектронная элементная база может "открыть второе дыхание" для направления создания и применения нейрокомпьютеров.
Для получения официальных документов о завершении программы дополнительного профессионального образования (удостоверения о повышении квалификации, дипломов о профессиональной переподготовке и MBA) необходимо предоставить:
Внимание! Вы можете не заказывать доставку бумажной версии официального документы, а скачать его в электронном виде и распечатать самостоятельно. Информация о выданном документе в течение 1 месяца загружается в Федеральную информационную систему «Федеральный реестр сведений о документах об образовании и (или) о квалификации, документах об обучении» - ФИС ФРДО.
Доступ на новый сайт осуществляется с использованием адреса электронной почты, который был указан вами при регистрации на "старом". Мы постарались перенести все ваши данные с прежнего ресурса, однако не исключена вероятность потери части информации.
При возникновении проблемы со входом, воспользуйтесь функцией сброса пароля
Если вы обнаружите несоответствия, пожалуйста, сообщите нам.