- 必威体育下载

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

摘要

本文提出了一种由8个磁性隧道结(magnetic tunnel junction, MTJ)构成的3位磁弹模数转换器(magneto-elastic analog-to-digital converter, MEADC), 该转换器中MTJ自由层为双组分多铁纳磁体. 通过对多铁纳磁体实施应变介导的电压调控, 可以实现零场条件下的确定性磁化翻转. 研究发现: 对于给定尺寸, 给定材料的双组分多铁纳磁体, 压电层厚度与双组分多铁纳磁体的临界翻转电压线性相关. 基于该原理, 通过调整压电层的厚度使得MEADC具有8个不同的电压切换阈值, 将模拟信号转换为8个多铁MTJ不同磁化状态组合. 同时, 设计了锁存比较器和独立的读取电路来检测MTJ的阻态, 以此实现了数字信号的输出. Monte Carlo功能模拟表明: 该MEADC在室温下写入成功率可达100%; 此外, 读写电路相互分离, 使得压电层厚度与MTJ的输出参考电压无关, 因此每个MTJ可设置相同的参考电压, 从而具有更高的读取可靠性. 微磁仿真和数值模拟分析发现: 该MEADC的工作频率可达250 MHz, 单次转换能耗仅为20 aJ; 与基于Racetrack技术的磁模数转换器相比, 能耗降低了1000倍, 采样速率提高了10倍. 本文提出的MEADC可为基于自旋电子器件的存算一体电路架构提供重要的技术支撑.

关键词:

Abstract

In recent years, the utilization of artificial intelligence and big data has led to the rise of compute-in-memory signal processing as the primary method for ADC design. Spintronic memory devices, which have non-volatile and low static power consumption characteristics, are particularly suitable for the design of low-power, high-bandwidth compute-in-memory ADCs. In this paper, a 3-bit magneto-elastic analog-to-digital converter (MEADC) is proposed, which comprises eight magnetic tunnel junctions (MTJs), where the MTJ free layer is a bicomponent multiferroic nanomagnet. The bicomponent multiferroic nanomagnet can attain deterministic magnetization switching under zero-field condition by regulating the strain-mediated voltage. It has been discovered that there is a linear correlation between the thickness of the piezoelectric layer and the critical flip voltage in a bicomponent multiferroic nanomagnet of a given size and material. Using this principle, the thickness of the piezoelectric layer is adjusted to allow the MEADC to have eight different voltage switching thresholds. This can make the analog signal converted into a combination of different magnetization states of eight multiferroic MTJ. A latch comparator and an independent read circuit are designed to detect the MTJ’s resistance state output a digital signal. Monte Carlo simulations indicate that the MEADC can achieve a 100% success rate of writing at room temperature. Additionally, the read circuit and write circuit are separated from each other, thus the same reference voltage can be set for each MTJ and result in higher readability. Micromagnetic simulation and numerical analysis demonstrate that the MEADC can operate at a maximum frequency of 250 MHz, and the energy consumption of a single conversion is only 20 aJ. Compared with the magnetic analog-to-digital converter based on the Racetrack technology, the energy consumption is reduced by 1000 times, and the sampling rate is increased by 10 times. The MEADC proposed in this paper offers an essential technical support for the spintronics-based compute-in-memory integrated circuit architecture.

Keywords:

magnetoelastic analog-to-digital converters/
magnetic tunnel junctions/
spintronics/
nanomagnets

作者及机构信息

通信作者:杨晓阔,yangxk0123@163.com

基金项目:国家自然科学基金(批准号: 62274183, 62301595)和陕西省自然科学基础研究计划(批准号: 2022JQ-073)资助的课题.

Authors and contacts

Corresponding author:Yang Xiao-Kuo,yangxk0123@163.com

Funds:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 62274183, 62301595) and the Natural Science Basic Research Plan in Shaanxi Province of China (Grant No. 2022JQ-073).

文章全文: translate this paragraph

参考文献

[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]

施引文献

下载: 全尺寸图片幻灯片

参数	Tb_0.7Dy_0.3Fe₂	Ni
杨氏模量Y/(10¹⁰Pa)	8	21.4
磁致伸缩系数λ_s/10^–4	6.0	-0.2
吉尔伯特阻尼系数α	0.100	0.045
回磁比γ/(10⁵rad·s^–1·T^–1)	2.21	2.21
饱和磁化率M_s/(10⁵A·m^–1)	8.00	4.85
交换作用常数A/(10^–11J·m^–1)	0.90	1.05

下载: 导出CSV

V_write/mV	S_out7-0	Binary
0—8.53	00000000	000
8.53—9.38	00000001	001
9.38—10.24	00000011	010
10.24—11.09	00000111	011
11.09—11.95	00001111	100
11.95—12.80	00011111	101
12.80—13.66	00111111	110
13.66—14.51	01111111	111
14.51—	11111111	—

下载: 导出CSV

类型	分辨位数	最大转换频率	转换能耗
VCMA^[3]	3-bit	9 GHz	0.35 pJ
SHE-MTJ^[21]	3-bit	500 MHz	0.48 pJ
SHE-DWM^[4]	2-bit	1 GHz	0.079 pJ
CMOS^[22]	4-bit	20 MHz	5 pJ
Racetrack^[23]	8-bit	20 MHz	0.021 pJ
Dual-Bit MEADC^[24]	3-bit	667 MHz	0.17 pJ
本文MEADC	3-bit	1 GHz	20 aJ

下载: 导出CSV

[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]

[1]	熊宜浓, 吴闯文, 任传童, 孟德全, 陈是位, 梁世恒.基于二维磁性材料的自旋轨道力矩研究进展. 必威体育下载 , 2024, 73(1): 017502.doi:10.7498/aps.73.20231244
[2]	丰家峰, 陈星, 魏红祥, 陈鹏, 兰贵彬, 刘要稳, 郭经红, 黄辉, 韩秀峰.自由层磁性交换偏置效应调控隧穿磁电阻磁传感单元性能. 必威体育下载 , 2023, 72(19): 197103.doi:10.7498/aps.72.20231003
[3]	袁佳卉, 杨晓阔, 张斌, 陈亚博, 钟军, 危波, 宋明旭, 崔焕卿.混合时钟驱动的自旋神经元器件激活特性和计算性能. 必威体育下载 , 2021, 70(20): 207502.doi:10.7498/aps.70.20210611
[4]	牛鹏斌, 罗洪刚.马约拉纳费米子与杂质自旋相互作用的热偏压输运. 必威体育下载 , 2021, 70(11): 117401.doi:10.7498/aps.70.20202241
[5]	刘嘉豪, 杨晓阔, 危波, 李成, 张明亮, 李闯, 董丹娜.基于倾斜纳磁体翻转倾向性的与(或)逻辑门应力模型. 必威体育下载 , 2019, 68(1): 017501.doi:10.7498/aps.68.20181621
[6]	赵巍胜, 黄阳棋, 张学莹, 康旺, 雷娜, 张有光.斯格明子电子学的研究进展. 必威体育下载 , 2018, 67(13): 131205.doi:10.7498/aps.67.20180554
[7]	孟康康, 赵旭鹏, 苗君, 徐晓光, 赵建华, 姜勇.铁磁/非磁金属异质结中的拓扑霍尔效应. 必威体育下载 , 2018, 67(13): 131202.doi:10.7498/aps.67.20180369
[8]	盛宇, 张楠, 王开友, 马星桥.自旋轨道矩调控的垂直磁各向异性四态存储器结构. 必威体育下载 , 2018, 67(11): 117501.doi:10.7498/aps.67.20180216
[9]	肖嘉星, 鲁军, 朱礼军, 赵建华.垂直磁各向异性L10-Mn1.67Ga超薄膜分子束外延生长与磁性研究. 必威体育下载 , 2016, 65(11): 118105.doi:10.7498/aps.65.118105
[10]	曾绍龙, 李玲, 谢征微.双自旋过滤隧道结中的隧穿时间. 必威体育下载 , 2016, 65(22): 227302.doi:10.7498/aps.65.227302
[11]	黄政, 龙超云, 周勋, 徐明.双势垒抛物势阱磁性隧道结隧穿磁阻及自旋输运性质的研究. 必威体育下载 , 2016, 65(15): 157301.doi:10.7498/aps.65.157301
[12]	谷晓芳, 钱轩, 姬扬, 陈林, 赵建华.(Ga,Mn)As中电流诱导自旋极化的磁光Kerr测量. 必威体育下载 , 2012, 61(3): 037801.doi:10.7498/aps.61.037801
[13]	杨晓阔, 蔡理, 王久洪, 黄宏图, 赵晓辉, 李政操, 刘保军.磁性量子元胞自动机功能阵列的实验研究. 必威体育下载 , 2012, 61(4): 047502.doi:10.7498/aps.61.047502
[14]	刘德, 张红梅, 贾秀敏.对称抛物势阱磁性隧道结中的自旋输运及磁电阻效应. 必威体育下载 , 2011, 60(1): 017506.doi:10.7498/aps.60.017506
[15]	任俊峰, 张玉滨, 解士杰.铁磁/有机半导体/铁磁系统的电流自旋极化性质研究. 必威体育下载 , 2007, 56(8): 4785-4790.doi:10.7498/aps.56.4785
[16]	彭子龙, 韩秀峰, 赵素芬, 魏红祥, 杜关祥, 詹文山.磁随机存储器中垂直电流驱动的磁性隧道结自由层的磁化翻转. 必威体育下载 , 2006, 55(2): 860-864.doi:10.7498/aps.55.860
[17]	李飞飞, 张谢群, 杜关祥, 王天兴, 曾中明, 魏红祥, 韩秀峰.高磁电阻磁性隧道结的几种微制备方法研究. 必威体育下载 , 2005, 54(8): 3831-3838.doi:10.7498/aps.54.3831
[18]	冯玉清, 赵昆, 朱涛, 詹文山.磁性隧道结热稳定性的x射线光电子能谱研究. 必威体育下载 , 2005, 54(11): 5372-5376.doi:10.7498/aps.54.5372
[19]	张　喆, 朱涛, 冯玉清, 张泽.Co基磁性隧道结势垒结构的电子全息研究. 必威体育下载 , 2005, 54(12): 5861-5866.doi:10.7498/aps.54.5861
[20]	谢征微, 李伯臧.处理具有任意形状势垒的磁性隧道结中电子输运的一个简单方法. 必威体育下载 , 2002, 51(2): 399-405.doi:10.7498/aps.51.399

计量

文章访问数:736
PDF下载量:33
被引次数:0

搜索

留言板