本发明专利技术涉及自旋随机存储器存内计算装置和存内计算方法及电子设备。一种自旋随机存储器存内计算装置包括：多个包括磁性隧道结的存内计算单元的阵列、逐行设置的第一字线以及逐列设置的第一位线、第二位线和第三位线，存内计算单元连接在第一字线和第一位线之间，第三位线连接到存内计算单元与第一位线之间的开关晶体管的栅极，第二位线与存内计算单元电隔离。存内计算单元的阵列存储输入矩阵的转置，其元素值对应于磁性隧道结的连续可调电导值，第一字线将与输入列向量的元素值对应的电压值分别施加到各行存内计算单元，第一位线输出与输出列向量的元素值对应的电流值。与输出列向量的元素值对应的电流值。与输出列向量的元素值对应的电流值。
【技术实现步骤摘要】
自旋随机存储器存内计算装置和存内计算方法及电子设备
[0001]本专利技术总体上涉及存内计算领域，更特别地，涉及一种基于热激发效应的自旋随机存储器存内计算装置、利用所述基于热激发效应的自旋随机存储器存内计算装置进行存内计算的方法、以及包括该自旋随机存储器存内计算装置的电子设备。
技术介绍
[0002]在传统的冯
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诺依曼架构中，存储器和计算单元是相互分离的两个单独部件。计算机执行计算操作时，需要从存储器中取出数据，传输到计算单元中进行计算，然后再将计算结果返回到存储器。计算机的所有功能都是通过这样的往复数据搬运过程实现的，对存储器的访存和对数据的计算在总能量消耗中占比很高。
[0003]存内计算(Computing In Memory，CIM)是一种新提出的计算方式，其将计算部件与存储器相结合，存储和计算合为一体，打破了传统计算机的冯
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诺依曼架构，能够大幅度降低数据迁移带来的算力、功耗限制。存内计算最为核心的问题主要包括计算精度、计算规模(即计算阵列的集成度)、计算速度和功耗等。存内计算的一个重要应用场景是人工智能中的矩阵运算。神经网络训练等大规模计算的核心是求解矩阵向量乘法(Matrix
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vectormultiplication，MVM)，即Ax＝b问题，这里A、b为矩阵，x为向量。目前阻变存储器(RRAM)和相变存储器(PCRAM)的电导存在较为明显的涨落、噪声和漂移问题，基于这些器件的存内计算精度有限。基于电子自旋隧穿的二值磁随机存储器(MRAM)虽然具有较好的涨落特性，但是目前尚未实现多值存储，不适合进行矩阵向量乘法运算。
[0004]因此，仍需要探索新的器件和架构，以满足存内计算对精度、集成度、速度和功耗等方面的要求。
技术实现思路
[0005]针对上述问题，提出了本专利技术。
[0006]本专利技术的一个方面提供一种自旋随机存储器存内计算装置，包括：多个存内计算单元的阵列，每个存内计算单元包括基于热激发效应的磁性隧道结；为每行存内计算单元设置的第一字线；以及为每列存内计算单元设置的第一位线、第二位线和第三位线，每个存内计算单元连接在对应的第一字线和第一位线之间，第三位线连接到设置在存内计算单元与第一位线之间的开关晶体管的栅极，第二位线与存内计算单元电隔离。所述第一字线和所述第二位线配置为接收写入电流以产生写磁场，所述写磁场使所述磁性隧道结的自由磁层的磁化方向相对于参考磁层的磁化方向在平行方向和反平行方向之间连续可调，从而所述磁性隧道结的电导值在对应的范围内连续可调。所述存内计算单元的阵列配置为存储输入矩阵的转置，其中输入矩阵的转置的元素值分别对应于磁性隧道结的连续可调电导值。所述第一字线还配置为将与输入列向量的元素值对应的电压值分别施加到存储有存储矩阵的转置的各行存内计算单元。所述第一位线配置为输出与输出列向量的元素值对应的电流值，每条第一位线输出的电流值是对应列中的每个存内计算单元的输出电流在所述第一
位线上汇聚得到的电流总和。
[0007]在一些实施例中，所述磁性隧道结包括依次形成的第一电极、第一反铁磁层、参考磁层、绝缘势垒层、自由磁层、第二反铁磁层和第二电极，所述第二反铁磁层的阻塞温度低于所述第一反铁磁层的阻塞温度。
[0008]在一些实施例中，当在存内计算单元的阵列中写入输入矩阵的转置时，与要写入的存内计算单元对应的第三位线配置为使开关晶体管导通，与要写入的存内计算单元对应的第一字线和第二位线接收电流以产生写磁场，与要写入的存内计算单元对应的第一字线和第一位线施加流经磁性隧道结的加热电流以加热所述磁性隧道结，使得所述写磁场将所述磁性隧道结的自由磁层的磁化方向取向到与所述写磁场相同的方向上，从而所述磁性隧道结的连续可调电导值被调整为与输入矩阵的转置的元素值对应的电导值。
[0009]在一些实施例中，当完成电导值的写入时，所述第一字线和所述第二位线配置为在停止施加所述加热电流之后再停止施加所述写磁场。
[0010]在一些实施例中，所述加热电流将所述磁性隧道结加热至一温度，所述温度高于所述第二反铁磁层的阻塞温度且低于所述第一反铁磁层的阻塞温度。
[0011]在一些实施例中，所述自由磁层和所述参考磁层具有面内磁化方向，并且至少所述自由磁层具有面内各向同性。
[0012]本专利技术的另一方面提供一种利用自旋随机存储器存内计算装置进行存内计算的方法，所述自旋随机存储器存内计算装置包括多个存内计算单元的阵列，为每行存内计算单元设置的第一字线，以及为每列存内计算单元设置的第一位线、第二位线和第三位线，每个存内计算单元包括基于热激发效应的磁性隧道结并且连接在对应的第一字线和第一位线之间，第三位线连接到设置在存内计算单元与第一位线之间的开关晶体管的栅极，第二位线与存内计算单元电隔离，所述方法包括：在第一字线和第二位线上施加写入电流以产生写磁场，所述写磁场使存内计算单元的磁性隧道结中的自由磁层的磁化方向相对于参考磁层的磁化方向在平行方向和反平行方向之间连续可调，从而每个磁性隧道结的电导值在对应的范围内连续可调，控制在第一字线和第二位线上施加的写入电流的大小和方向，以将与输入矩阵的转置的元素值对应的电导值写入到对应的磁性隧道结中；通过第一字线将与输入列向量的元素值对应的电压值分别施加到存储有输入矩阵的转置的各行存内计算单元上；以及通过第一位线输出与输出列向量的各个元素值对应的电流值，每条第一位线输出的电流值是对应列中的每个存内计算单元的输出电流在所述第一位线上汇聚得到的电流总和。
[0013]在一些实施例中，所述磁性隧道结包括依次形成的第一电极、第一反铁磁层、参考磁层、绝缘势垒层、自由磁层、第二反铁磁层和第二电极，所述第二反铁磁层的阻塞温度低于所述第一反铁磁层的阻塞温度。
[0014]在一些实施例中，当在存内计算单元的阵列中写入矩阵A的转置时，与要写入的存内计算单元对应的第三位线配置为使开关晶体管导通，与要写入的存内计算单元对应的第一字线和第二位线接收写入电流以产生写磁场，与要写入的存内计算单元对应的第一字线和第一位线施加流经磁性隧道结的加热电流以加热所述磁性隧道结，使得所述写磁场将所述磁性隧道结的自由磁层的磁化方向取向到与所述写磁场相同的方向上，从而所述磁性隧道结的连续可调电导值被调整为与输入矩阵的装置的元素值对应的电导值。
[0015]在一些实施例中，当完成电导值的写入时，在停止施加所述加热电流之后再停止施加所述写磁场。
[0016]在一些实施例中，所述加热电流将所述磁性隧道结加热至一温度，所述温度高于所述第二反铁磁层的阻塞温度且低于所述第一反铁磁层的阻塞温度。
[0017]在一些实施例中，所述自由磁层和所述参考磁层具有面内磁化方向，并且至少所述自由磁层具有面内各向同性。
[0018]本专利技术的另一方面提供一种电子设备，其包括上述自旋随机存储器存内计算装置。
[0019]本专利技术采用以下技术方案，具有以下有益效果：
[0020](1)本专利技术利用磁随机存储本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种自旋随机存储器存内计算装置，包括：多个存内计算单元的阵列，每个存内计算单元包括基于热激发效应的磁性隧道结；为每行存内计算单元设置的第一字线；以及为每列存内计算单元设置的第一位线、第二位线和第三位线，每个存内计算单元连接在对应的第一字线和第一位线之间，第三位线连接到设置在存内计算单元与第一位线之间的开关晶体管的栅极，第二位线与存内计算单元电隔离，其中，所述第一字线和所述第二位线配置为接收写入电流以产生写磁场，所述写磁场使所述磁性隧道结的自由磁层的磁化方向相对于参考磁层的磁化方向在平行方向和反平行方向之间连续可调，从而所述磁性隧道结的电导值在对应的范围内连续可调，所述存内计算单元的阵列配置为存储输入矩阵的转置，其中输入矩阵的转置的元素值分别对应于磁性隧道结的连续可调电导值，所述第一字线还配置为将与输入列向量的元素值对应的电压值分别施加到存储有存储矩阵的转置的各行存内计算单元，且所述第一位线配置为输出与输出列向量的元素值对应的电流值，每条第一位线输出的电流值是对应列中的每个存内计算单元的输出电流在所述第一位线上汇聚得到的电流总和。2.如权利要求1所述的自旋随机存储器存内计算装置，其中，所述磁性隧道结包括依次形成的第一电极、第一反铁磁层、参考磁层、绝缘势垒层、自由磁层、第二反铁磁层和第二电极，所述第二反铁磁层的阻塞温度低于所述第一反铁磁层的阻塞温度。3.如权利要求2所述的自旋随机存储器存内计算装置，其中，当在存内计算单元的阵列中写入输入矩阵的转置时，与要写入的存内计算单元对应的第三位线配置为使开关晶体管导通，与要写入的存内计算单元对应的第一字线和第二位线接收电流以产生写磁场，与要写入的存内计算单元对应的第一字线和第一位线施加流经磁性隧道结的加热电流以加热所述磁性隧道结，使得所述写磁场将所述磁性隧道结的自由磁层的磁化方向取向到与所述写磁场相同的方向上，从而所述磁性隧道结的连续可调电导值被调整为与输入矩阵的转置的元素值对应的电导值。4.如权利要求3所述的自旋随机存储器存内计算装置，其中，当完成电导值的写入时，所述第一字线和所述第二位线配置为在停止施加所述加热电流之后再停止施加所述写磁场。5.如权利要求3所述的自旋随机存储器存内计算装置，其中，所述加热电流将所述磁性隧道结加热至一温度，所述温度高于所述第二反铁磁层的阻塞温度且低于所述第一反铁磁层的阻塞温度。6.如权利要求2所述的自旋随机存储器存内计算装置，其中，所述自由磁层和所述参考磁层具有面内磁化方向，并且至少所述自由磁层具有面内各向同性。7.一种利用自旋随机存储器...
【专利技术属性】
技术研发人员：闵泰，姜森峰，柴正，周雪，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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