本发明专利技术提供了一种存算器件、计数器、移位累加器和存内乘加结构，该存算器件通过采用包含有磁性轨道层和磁性记录层组成存算器件，利用磁性记录层区域中是否存在斯格明子，而导致磁性轨道层与磁性记录层组成的磁性隧道结阻态大小不同的特性，实现存储。相比现有技术中通过翻转自由层的磁化方向方式，本申请所公开的存算器件，基于磁性斯格明子的纯自旋电子体系，具有自旋电子器件高速、低功耗的特点，同时存算器件的物理尺寸小，可以实现较高的存储密度。度。度。
【技术实现步骤摘要】
一种存算器件、计数器、移位累加器和存内乘加结构
[0001]本专利技术涉及半导体
，尤其涉及一种存算器件、计数器、移位累加器和存内乘加结构。
技术介绍
[0002]当今的计算机系统主要基于冯诺依曼架构，其特征是存储单元和运算单元相互分离。近年来随着人工智能的快速发展，计算系统需要处理的数据量不断增长，冯诺依曼架构由于存储墙、功耗墙等问题，越来越难以满足不断增长的计算需求，已经成了计算智能化的主要瓶颈。存算一体技术是解决冯诺依曼瓶颈的一个重要方向，通过使存储单元同时具备存储和计算功能，可以有效缓解存储墙和功耗墙问题。目前的存算一体架构中，通过交叉排布的非易失存储器阵列，可以只使用一次操作就实现矩阵乘法和累加计算。但是这种计算主要基于电路的模拟特性，计算结果难以避免的存在噪声，影响整体的计算精度。且计算过程中需要不断进行数字信号和模拟信号的转换，能效比还有待提升。
技术实现思路
[0003]本专利技术提供了一种存算器件、计数器、移位累加器和存内乘加结构，计算过程完全基于斯格明子的物理特性进行，无需进行数字信号和模拟信号的转换，可以满足高精度、低功耗神经网络计算的需求；同时物理尺寸小，可以实现较高的存储和计算密度。
[0004]第一方面，本专利技术提供了一种存算器件，该存算器件包括磁性轨道层和磁性记录层。其中，磁性轨道层用于输入输出斯格明子，还用于使其内的斯格明子稳定存在和运动。磁性记录层包括层叠在磁性轨道层表面的势垒层、和层叠在势垒层上的参考层。磁性轨道层与磁性记录层组成磁性隧道结，且磁性轨道层中与势垒层重叠的区域为磁性记录层区域。磁性轨道层与参考层的磁化方向相反；在磁性记录层区域不存在斯格明子时，磁性隧道结的阻态为高阻态；在输入磁性轨道层的斯格明子运动到磁性记录层区域时，会被磁性记录层钉扎在磁性记录层区域内，以将磁性隧道结的阻态由高阻态改变为低阻态。
[0005]在上述的方案中，通过采用包含有磁性轨道层和磁性记录层组成存算器件，利用磁性记录层区域中是否存在斯格明子，而导致磁性轨道层与磁性记录层组成的磁性隧道结阻态大小不同的特性，实现存储。相比现有技术中通过翻转自由层的磁化方向方式，本申请所公开的存算器件，基于磁性斯格明子的纯自旋电子体系，具有自旋电子器件高速、低功耗的特点，同时存算器件的物理尺寸小，可以实现较高的存储密度。
[0006]在一个具体的实施方式中，该存算器件还包括位于磁性轨道层侧面的擦除区域，擦除区域用于擦除进入其内的斯格明子。磁性轨道层具有斯格明子输入端口和斯格明子输出端口。在磁性记录层区域存在固定的斯格明子时，通过斯格明子输入端口输入的运动的斯格明子，能够将固定的斯格明子碰撞到擦除区域，且运动的斯格明子自身能够从斯格明子输出端口输出。通过在磁性轨道层的侧面增加擦除区域，对于不断输入的斯格明子，每输入两个斯格明子就会输出一个斯格明子，且磁性隧道结的阻态会被重置，表现为逢二进一
的二进制加法规则，能够直接实现存内累加运算，计算过程完全基于斯格明子的物理特性进行，无需进行数字信号和模拟信号的转换，可以满足高精度、低功耗神经网络计算的需求，还能够实现较高的计算密度。
[0007]在一个具体的实施方式中，擦除区域设置有通电端口。当擦除区域的通电端口流入电流时，能够使磁性记录层区域的斯格明子从斯格明子输出端口输出；当擦除区域的通电端口流出电流时，能够擦除磁性记录层区域的斯格明子。以便于输出或擦除该存算单元内的斯格明子。
[0008]在一个具体的实施方式中，磁性轨道层包括层叠的重金属层和磁性层，势垒层层叠在磁性层表面。其中，重金属层与磁性层的界面耦合产生DMI效应，能够使磁性轨道层内的斯格明子稳定存在；重金属层与磁性层的自旋轨道矩效应，驱动磁性轨道层内的斯格明子运动。便于使磁性轨道层内的斯格明子稳定存在和运动。
[0009]在一个具体的实施方式中，磁性轨道层的截面形状为T形。T形磁性轨道层的直线轨道两端分布设置有一个通电端口；斯格明子输入端口和斯格明子输出端口，分别与磁性轨道层的两个通电端口重合。T形磁性轨道层上剩余的第三端分布有擦除区域，以优化磁性轨道层的结构，优化斯格明子的轨道运动路线。
[0010]在一个具体的实施方式中，磁性轨道层与参考层的磁各向异性均为垂直磁各向异性，便于钉扎运动到磁性记录层区域的斯格明子。
[0011]第二方面，本专利技术还提供了一种计数器，该计数器包括：多个依次排开的上述任意一种包含有擦除区域的存算器件。任意相邻的两个存算器件之间，其中一个存算器件的斯格明子输入端口，与另一个存算器件的斯格明子输出端口相连，以使其中一个存算器件中的斯格明子能够运动到另一个存算器件内。
[0012]在上述的方案中，通过采用包含有磁性轨道层和磁性记录层组成存算器件，利用磁性记录层区域中是否存在斯格明子，而导致磁性轨道层与磁性记录层组成的磁性隧道结阻态大小不同的特性，实现存储。还在磁性轨道层的侧面增加擦除区域，对于不断输入的斯格明子，每输入两个斯格明子就会输出一个斯格明子，且磁性隧道结的阻态会被重置，表现为逢二进一的二进制加法规则，能够直接实现存内累加运算，计算过程完全基于斯格明子的物理特性进行，无需进行数字信号和模拟信号的转换，可以满足高精度、低功耗神经网络计算的需求。上述方案完全基于磁性斯格明子的纯自旋电子体系，具有自旋电子器件高速、低功耗的特点，同时物理尺寸小，可以实现较高的存储和计算密度。
[0013]第三方面，本专利技术还提供了一种移位累加器，该移位累加器包括上述计数器、以及至少一个额外输入端口。每个额外输入端口连接在一个存算器件的磁性轨道层上，且一个存算器件的磁性轨道层上最多连接一个额外输入端口，每个额外输入端口用于向与其连接的磁性轨道层输入斯格明子。
[0014]在上述的方案中，通过采用包含有磁性轨道层和磁性记录层组成存算器件，利用磁性记录层区域中是否存在斯格明子，而导致磁性轨道层与磁性记录层组成的磁性隧道结阻态大小不同的特性，实现存储。还在磁性轨道层的侧面增加擦除区域，对于不断输入的斯格明子，每输入两个斯格明子就会输出一个斯格明子，且磁性隧道结的阻态会被重置，表现为逢二进一的二进制加法规则，能够直接实现存内累加运算，计算过程完全基于斯格明子的物理特性进行，无需进行数字信号和模拟信号的转换，可以满足高精度、低功耗神经网络
计算的需求。上述方案完全基于磁性斯格明子的纯自旋电子体系，具有自旋电子器件高速、低功耗的特点，同时物理尺寸小，可以实现较高的存储和计算密度。
[0015]在一个具体的实施方式中，对于每个连接有额外输入端口的存算器件，额外输入端口与擦除区域分列在磁性轨道层相对的两个侧面，优化额外输入端口和擦除区域的设置位置。
[0016]在一个具体的实施方式中，每个存算器件的磁性轨道层的顶部或底部还均设置有分流端口，用于保持磁性轨道层内的电流恒定在设定电流值，以在进行复位、移位、累加操作时，保持中央的位置的磁性轨道层电流不变，确保器件正常工作。
[0017]第四方面，本专利技术还提供了一种存内乘加结构，该本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种存算器件，其特征在于，包括：磁性轨道层，用于输入输出斯格明子，还用于使其内的斯格明子稳定存在和运动；磁性记录层，包括层叠在所述磁性轨道层表面的势垒层、和层叠在所述势垒层上的参考层；所述磁性轨道层与所述磁性记录层组成磁性隧道结，且所述磁性轨道层中与所述势垒层重叠的区域为磁性记录层区域；所述磁性轨道层与所述参考层的磁化方向相反；在所述磁性记录层区域不存在斯格明子时，所述磁性隧道结的阻态为高阻态；在输入所述磁性轨道层的斯格明子运动到所述磁性记录层区域时，会被所述磁性记录层钉扎在所述磁性记录层区域内，以将所述磁性隧道结的阻态由所述高阻态改变为低阻态。2.如权利要求1所述的存算器件，其特征在于，还包括：位于所述磁性轨道层侧面的擦除区域，用于擦除进入其内的斯格明子；所述磁性轨道层具有斯格明子输入端口和斯格明子输出端口；在所述磁性记录层区域存在固定的斯格明子时，通过所述斯格明子输入端口输入的运动的斯格明子，能够将所述固定的斯格明子碰撞到所述擦除区域，且所述运动的斯格明子自身能够从所述斯格明子输出端口输出。3.如权利要求2所述的存算器件，其特征在于，所述擦除区域设置有通电端口；当所述擦除区域的通电端口流入电流时，能够使所述磁性记录层区域的斯格明子从所述斯格明子输出端口输出；当所述擦除区域的通电端口流出电流时，能够擦除所述磁性记录层区域的斯格明子。4.如权利要求2所述的存算器件，其特征在于，所述磁性轨道层包括层叠的重金属层和磁性层，所述势垒层层叠在所述磁性层表面；其中，所述重金属层与所述磁性层的界面耦合产生DMI效应，能够使所述磁性轨道层内的斯格明子稳定存在；所述重金属层与所述磁性层的自旋轨道矩效应，驱动所述磁性轨道层内的斯格明子运动。5.如权利要求2所述的存算器件，其特征在于，所述磁性轨道层的截面形状为T形；T形磁性轨道层的直线轨道两端分布设置有一个通电端口；所述斯格明子输入端口和斯格明子输出端口，分别与所述磁性轨道层的两个通电端口重合；所述T形磁性轨道层上剩余的第三端分布有所述擦除区域。6.如权利要求2所述的存算器件，其特征在于，所述磁性轨道层与所述参考层的磁各向异性均为垂直磁各向异性。7.一种计数器，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：石以诺，张文彪，迟克群，李州，孟皓，
申请(专利权)人：中电海康集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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