15、基于磁隧道结的集成逻辑与计算电路

基于磁隧道结的集成逻辑与计算电路

1. 引言

基于晶体管的逻辑和计算集成电路的发展取得了巨大成功。晶体管的小型化是提高其计算能力的有效方法。然而，由于晶体管正接近其基本极限，人们提出了一些替代技术，以在更小的尺寸下运行。基于自旋的逻辑器件（SLD）是具有可扩展性的有前途的候选者。此外，SLD 还能为传统电子设备带来额外的优势，包括非易失性、低功耗和逻辑可重构性。

SLD 可以利用磁畴壁、自旋波、自旋电流和磁阻元件（如磁隧道结（MTJ）或巨磁阻（GMR）器件）来实现其功能。MTJ 由两个被薄隧道势垒隔开的磁性层组成。这两个磁性层具有不同的开关场，其中一层用作固定（参考）层，另一层用作自由（存储）层。根据自由层和固定层磁化的相对取向，MTJ 的电阻可以变化超过 100%。此外，MTJ 中的自由层可以在 200ps 以下的时间尺度内进行电切换。通过使用复合结构等不同机制，可以在保持热稳定性的同时降低 MTJ 的切换能量。而且，MTJ 具有非易失性，在断电时能保持其状态。所有这些特性使 MTJ 成为逻辑和内存应用的有前途的候选者。

目前有几种将 MTJ 用于计算电路的方案，MTJ 既可以作为计算的核心，也可以作为临时存储元件，即所谓的逻辑内存储器。

2. 基于 GMR 的现场可编程器件

基于磁阻元件的 SLD 使用磁隧道结或巨磁阻进行计算。字线中的电流产生的磁场用于改变自由层或自由层和固定层的磁化方向，因此这类器件被称为现场可编程逻辑器件（FPLD）。

MR 元件有两种不同的配置：
- 伪自旋阀配置：两个磁性层都可以用不同的开关场进行切换。
- 自旋阀配置：固定层的磁化不能被字线场切换。