Память c иcпользованием СТП и спинтронные логические схемы

3. Комбинирование спинтронной логики с КМДП схемами

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.

Логика с использованием нелокального СТП

Опишем еще один вариант реализации логических схем – с использованием т.н. "нелокального" СТП. В "Что такое "Наноэлектронная элементная база информатики"? Как "увидеть" наноразмерные элементы?" (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 нелокального СТП показана на рис. 2.11 вверху.

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 λ_C ≈ 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 t_CP 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.