Память c иcпользованием СТП и спинтронные логические схемы

Спинтронные логические элементы 1-го поколения

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)".

1. Логика на спиновых вентилях

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 . 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); (бB; (в) (NOR); (г)

Если СВ8 включить по схеме, показанной на рис. рис. 2.6.в, то он выполняет логическую функцию . 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 Α∨Β. В первом такте импульсом ВНС магниторезистивный элемент переводится в состояние "1". Если во 2-м такте на оба входа поступают логические "0", то магниторезистивный элемент остается в состоянии "1", и в 3-м такте на выходе имеем "1". Если во 2-м такте на вход А поступает "0", а на вход В "1", то магниторезистивный элемент остается в состоянии "1", и в 3-м такте на выходе имеем "1". Если во 2-м такте на вход А поступает "1", а на вход В "0", то магниторезистивный элемент переводится в состояние "0", и в 3-м такте на выходе 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 "1", и в 3-м такте на выходе (Вых) тоже имеем "1".

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.