自旋存儲器

自旋隨機儲存器具有斷電數據非易失性、快速隨機、存儲密度高、穩定性高等優點，被認為可作為下一代通用儲存器。納電子學的主要目標。可以通過單個的儲存技術來提供數據和執行儲存，適用的溫度範圍提高，在軍用和航天有前途

基本介紹

• 中文名：自旋儲存器
• 外文名：spintronic memory
• 相關學科：微電子學
• 套用領域：存儲器
• 相關概念：自旋轉移矩

產品簡介

自旋儲存器是通過自旋轉移矩將信息寫入的儲存器。它具有功耗低的特點，在航空航天領域具有豐富的套用場景。

發展背景

存儲器是計算機體系結構中的重要組成部分, 對計算機的速度、集成度和功耗等都有決定性的影響。然而, 存儲器難以同時兼顧各項性能指標, 例如, 硬碟的存儲容量較高 (可達1.3 Tb/in2) 但訪問速度極慢(通常為微秒級)。快取則相反, 具有高速和低集成度的特點。

為充分發揮各類存儲器的優勢, 典型的計算機存儲系統採用分級結構, 一方面, 頻繁使用的指令與數據存於快取 (Cache) 和主存 (Main Memory) 中, 能夠以較快的速度與中央處理器互動; 另一方面, 大量非頻繁使用的系統程式與文檔資料被存於高密 度的硬碟 (HDD或SSD) 中。這樣的分級結構使存儲系統兼具高速和大容量的優點, 但是, 隨著半導體工藝特徵尺寸的不斷縮小, 傳統的基於互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS) 工藝的快取(Static Random Access Memory, SRAM)和主存 (Dynamic Random Access Memory, DRAM) 遭遇了性能瓶頸。

在功耗方面, 由於CMOS電晶體的漏電流隨著工藝尺寸的減小而增大, 因此, SRAM和 DRAM的靜態功耗日益加劇。在速度方面, 處理器 與存儲器的互連延遲限制了系統的主頻。解決該問題的一個有效途徑是構建非易失性 (Non-Volatile) 的快取和主存, 使系統可工作於休眠模式而不丟失 數據, 從而消除漏電流和靜態功耗, 而且非易失性存儲器可通過後道工藝(Back-of-End-Line)直接集成於CMOS電路上，減小了互連延遲。

工作原理

考慮利用自旋霍爾效應輔助自旋轉移矩(Spin-Hall-Assisted STT) 實現磁化翻轉，在這種方式中, 最終的磁化翻轉仍舊由傳統的自旋轉移矩完成, 但伴有自旋霍爾效應的輔助, 因此該過程需要分別流經磁隧道結和重金屬薄膜的兩條寫入電流, 負責產生自旋轉移矩和自旋霍爾效應。當流經重金屬的電流低於某一閾值時,

自旋電子儲存信息的寫入通過磁化翻轉，磁化翻轉的過程仍舊由自旋轉移矩主導, 自旋霍爾效應(或自旋軌道矩)只起次要作用; 當電流高於閾值時，磁化翻轉過程與傳統的自旋轉移矩方式完全不同，磁化向量在極短的時間內越過面內方向, 表明自旋軌道矩消除了初始延遲, 主導了磁化翻轉過程。但是, 這種情況下, 磁化向量並未被完全翻轉, 表明自旋軌道矩在寫入的後期起到阻礙作用, 因此需要在合適的時間移除。最終形成的寫入方式: 沿重金屬通入大於閾值的電流, 在大約0.5 ns的時刻撤除該電流, 由自旋轉移矩完成後續的磁化翻轉過程。這種寫入方式消除了初始延遲, 提高了寫入速度。但這種寫入方式並未使讀寫路徑分開, 仍有部分電流經過磁隧道結以產生自旋轉移矩, 儘管如此, 由於有自旋霍爾效應的輔助, 流經磁隧道結的電流可以降至較低的水平, 減小勢壘擊穿的機率。

磁化翻轉過程

信息寫入

自旋軌道矩寫入方式的思路是藉助反鐵磁材料產生交換偏置場, 以此取代外加磁場。近期利用該技術成功實現了具有垂直磁各向異性的磁性薄膜的磁化翻轉。他們設計的器件結構中, PtMn和IrMn均為反鐵磁材料, 與之接觸的Co/Ni和Co 均為具有垂直磁各向異性的磁性材料。交換偏置場由 “反鐵磁/鐵磁”界面產生, 其作用等效於外加磁場(Hext)。自旋霍爾效應由Pt產生,由反鐵磁材料PtMn產生。實驗證實了磁化翻轉在交換偏置場和自旋霍爾效應的作用下完成, 且寫入電流和交換偏置場的大小與早期Liu的測量結果基本吻合。此外, 他們的這兩項研究還觀測到另外一個重要現象: 磁化翻轉的大小可根據電流強弱連續調節。該現象的可能成因是反鐵磁材料的多晶態導致交換偏置場方向呈現非均勻分布，因此，在特定的寫入電流作用下, 磁化翻轉無法一致完成。磁化的可調性能夠用於實現自旋憶阻器, 從而使自旋軌道矩在類腦計算領域得到套用。

套用前景

自旋儲存器的套用前景並不局限於傳統的計算機存儲體系, 還能夠擴展到其他諸多領域，甚至有望成為通用存儲器(Universal Memory)。例如, 寶馬公司在發動機控制模組採用MRAM以保證數據在斷電情況下不丟失。鑒於磁性存儲具有抗輻射的優勢, 空客公司在A350的飛行控制系統中採用MRAM以防止射線造成數據破壞。此外, 在物聯網和大數據等新興套用領域, 泛在的感測器終端需要蒐集海量數據, 為節省存儲功耗, 使用非易失性存儲器勢在必行, STT-MRAM以其相對優良的性能成為熱門的候選器件。