存算一体的磁性存储单元制造技术

本发明专利技术提供一种存算一体的磁性存储单元，包括：重金属层、位于重金属层表面的磁性隧道结以及磁性隧道结表面的电极，磁性隧道结包括：依次层叠设置的自由层、势垒层和参考层，所述自由层与所述重金属层相邻设置，所述重金属层与所述自由层之间的相互作用为自旋轨道矩及DMI效应；所述重金属层具有至少三个通电端口，包括两个输入端和一个控制端，两个所述输入端和所述控制端的状态共同决定所述重金属层电流方向，以进一步决定所述磁性隧道结的阻态信息。本发明专利技术能够充分利用SOT

【技术实现步骤摘要】
存算一体的磁性存储单元


[0001]本专利技术涉及磁性存储器
，尤其涉及一种存算一体的磁性存储单元。

技术介绍

[0002]近年来，随着大数据和AI的发展，相关应用对计算能力的需求也随之提升。但传统冯诺依曼架构计算机计算和存储是分离的，数据的频繁调用和存储产生了大量的功耗，已经成了计算智能化的瓶颈。
[0003]存算一体架构被认为是解决目前冯诺依曼架构中存储墙和访存功耗墙问题的有效手段。存算一体架构中，存储单元直接具有逻辑计算能力，能够有效消除数据移动的延迟和功耗。
[0004]自旋轨道转矩磁性存储器(SOT
‑
MRAM)具有高写入速度、低功耗、高集成度、具有可编程逻辑、与CMOS兼容等特点，非常适合用来设计存算一体计算机。但目前还没有行之有效的实现存算一体的磁性存储单元。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术提供了一种存算一体的磁性存储单元，能够充分利用SOT
‑
MRAM的物理特性进行存内计算。
[0006]第一方面，本专利技术提供一种存算一体的磁性存储单元，包括：
[0007]重金属层；
[0008]位于所述重金属层表面的磁性隧道结，所述磁性隧道结包括：依次层叠设置的自由层、势垒层和参考层，所述自由层与所述重金属层相邻设置，所述重金属层与所述自由层之间的相互作用为自旋轨道矩及DMI效应；
[0009]电极，所述电极位于所述参考层的表面；
[0010]其中，所述重金属层具有至少三个通电端口，包括两个输入端和一个控制端，两个所述输入端和所述控制端的状态共同决定所述重金属层电流方向，以进一步决定所述磁性隧道结的阻态信息；
[0011]所述电极具有一个读取端，当读取所述磁性隧道结的阻态信息时，所述读取端输入读电压。
[0012]可选地，所述磁性隧道结的磁各向异性为垂直磁各向异性。
[0013]可选地，所述重金属层的截面形状为Y形，且三边等长，夹角均为120
°
，两个所述输入端和所述控制端分别位于Y形重金属层的三端。
[0014]可选地，当所述控制端开路，Y形重金属层电流从一个输入端流向另一个输入端时，若电流方向为顺时针，则所述磁性隧道结为低阻态；若电流方向为逆时针，则所述磁性隧道结为高阻态；
[0015]当Y形重金属层电流从三端中的任意两端流向另外一端时，所述磁性隧道结的阻态发生变化；
[0016]当Y形重金属层电流从三端中的任意一端流向另外两端时，所述磁性隧道结的阻态保持不变。
[0017]可选地，所述自由层与所述重金属层的材料组合为Co/Pt、CoFe/Pt、CoFeB/Pt、Co/W、CoFe/W、CoFeB/W、Co/Ir、Co/Tb、CoFeB/Mo、CoFeB/Cr、CoFeB/Ta中的任意一种组合。
[0018]第二方面，本专利技术提供一种数据选择器，包括：如第一方面提供的存算一体的磁性存储单元、第一NMOS管以及第一PMOS管，所述重金属层的控制端接地，所述重金属层的一个输入端与所述第一NMOS管的漏极连接，所述第一NMOS管的源极输入高电平信号，所述重金属层的另一个输入端与所述第一PMOS管的漏极连接，所述第一PMOS管的源极输入高电平信号，所述第一NMOS管的栅极和所述第一PMOS管的栅极分别作为数据选择器的两个输入端。
[0019]第三方面，本专利技术提供一种全减器，包括：如第一方面提供的存算一体的磁性存储单元以及第二NMOS管，所述重金属层的控制端与所述第二NMOS管的漏极连接，所述第二NMOS管的源极输入高电平信号，所述第二NMOS管的栅极作为全减器的控制端，所述重金属层的两个输入端作为全减器的两个输入端。
[0020]第四方面，本专利技术提供一种全加器，包括：如第一方面提供的存算一体的磁性存储单元、第三NMOS管以及反相器，所述重金属层的控制端与所述第三NMOS管的漏极连接，所述第三NMOS管的源极输入高电平信号，所述第三NMOS管的栅极作为全加器的控制端，所述重金属层的一个输入端与所述反相器的输出端连接，所述重金属层的另一个输入端和所述反相器的输入端作为全加器的两个输入端。
[0021]第五方面，本专利技术提供一种阵列结构，包括：行列分布的多个单元，其中每个单元包括如第一方面提供的存算一体的磁性存储单元、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管及第八NMOS管，
[0022]所述重金属层的一个输入端与所述第四NMOS管的漏极连接，所述第四NMOS管的栅极连接至字线CWL，所述第四NMOS管的源极连接至位线RBL；
[0023]所述重金属层的另一个输入端与所述第五NMOS管的源极连接，所述第五NMOS管的栅极连接至字线RWL，所述第五NMOS管的漏极连接至位线CBL；
[0024]所述重金属层的控制端与所述第六NMOS管的漏极连接，所述第六NMOS管的栅极连接至字线CWWL，所述第六NMOS管的源极与所述第七NMOS管的漏极连接，所述第七NMOS管的栅极连接至字线RWWL，所述第七NMOS管的源极接地；
[0025]所述重金属层的读取端与所述第八NMOS管的源极连接，所述第八NMOS管的栅极连接至字线WL，所述第八NMOS管的漏极连接至源线；
[0026]其中，字线WL用于读取磁性隧道结的阻值，字线CWL和RWL分别控制目标列和目标行上磁性存储单元的通断，字线CWWL和RWWL分别控制目标列和目标行上磁性存储单元是否接地，位线CBL和RBL分别用来进行磁性存储单元两个输入端的数据输入，且源线SL电压为高电平。
[0027]本专利技术提供的一种存算一体的磁性存储单元，能够充分利用SOT
‑
MRAM的物理特性进行存内计算，具有SOT
‑
MRAM高速、低功耗的特点，且无需外部磁场辅助，集成度较高。应用本专利技术的存算一体的磁性存储单元可以实现多种算术、逻辑计算，并可进一步构建出数据选择器、全减器、全加器、2bit乘法器等算术逻辑计算器件。
附图说明
[0028]图1为本专利技术一实施例提供的磁性存储单元的立体视图；
[0029]图2为对应图1所示磁性存储单元的侧视图；
[0030]图3为本专利技术一实施例提供的磁性存储单元实现不同逻辑的示意图；
[0031]图4为本专利技术一实施例提供的数据选择器的示意图；
[0032]图5为本专利技术一实施例提供的全减器的示意图；
[0033]图6为全减器进行减法运算的流程图；
[0034]图7为本专利技术一实施例提供的全加器的示意图；
[0035]图8为全加器进行加法运算的流程图；
[0036]图9为本专利技术一实施例提供的阵列结构示意图；
[0037]图10为阵列结构进行2bit乘法运算示意图；
[0038]图11为n
‑
bit乘法器计算流程示意图。
具体实施方式
[0039]为使本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种存算一体的磁性存储单元，其特征在于，包括：重金属层；位于所述重金属层表面的磁性隧道结，所述磁性隧道结包括：依次层叠设置的自由层、势垒层和参考层，所述自由层与所述重金属层相邻设置，所述重金属层与所述自由层之间的相互作用为自旋轨道矩及DMI效应；电极，所述电极位于所述参考层的表面；其中，所述重金属层具有至少三个通电端口，包括两个输入端和一个控制端，两个所述输入端和所述控制端的状态共同决定所述重金属层电流方向，以进一步决定所述磁性隧道结的阻态信息；所述电极具有一个读取端，当读取所述磁性隧道结的阻态信息时，所述读取端输入读电压。2.根据权利要求1所述的存算一体的磁性存储单元，其特征在于，所述磁性隧道结的磁各向异性为垂直磁各向异性。3.根据权利要求2所述的存算一体的磁性存储单元，其特征在于，所述重金属层的截面形状为Y形，且三边等长，夹角均为120
°
，两个所述输入端和所述控制端分别位于Y形重金属层的三端。4.根据权利要求3所述的存算一体的磁性存储单元，其特征在于，当所述控制端开路，Y形重金属层电流从一个输入端流向另一个输入端时，若电流方向为顺时针，则所述磁性隧道结为低阻态；若电流方向为逆时针，则所述磁性隧道结为高阻态；当Y形重金属层电流从三端中的任意两端流向另外一端时，所述磁性隧道结的阻态发生变化；当Y形重金属层电流从三端中的任意一端流向另外两端时，所述磁性隧道结的阻态保持不变。5.根据权利要求1所述的存算一体的磁性存储单元，其特征在于，所述自由层与所述重金属层的材料组合为Co/Pt、CoFe/Pt、CoFeB/Pt、Co/W、CoFe/W、CoFeB/W、Co/Ir、Co/Tb、CoFeB/Mo、CoFeB/Cr、CoFeB/Ta中的任意一种组合。6.一种数据选择器，其特征在于，包括：如权利要求1
‑
5任一项所述的存算一体的磁性存储单元、第一NMOS管以及第一PMOS管，所述重金属层的控制端接地，所述重金属层的一个输入端与所述第一NMOS管的漏极连接，所述第一NMOS管的源极输入高电平信号，所述重金属层的另一个输入端与所述第一PMOS管的漏极连接，所述第一PMOS管的源极输入高电平信号，所述第一NMOS管的栅极和所述第一PM...

【专利技术属性】
技术研发人员：石以诺，迟克群，李州，冯向，孟皓，
申请(专利权)人：浙江驰拓科技有限公司，
类型：发明
国别省市：