清華新聞網(wǎng)8月13日電 近日，清華大學(xué)集成電路學(xué)院南天翔課題組及合作者提出利用電壓原位控制鐵酸鉍異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的多鐵磁振子自旋力矩，從而實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)邏輯存儲(chǔ)器。
圖1.多鐵性磁振子自旋力矩器件的工作原理
通過(guò)發(fā)展一類(lèi)能夠在同一器件中既能執(zhí)行信息存儲(chǔ)也能實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算的非易失性存儲(chǔ)器，可以實(shí)現(xiàn)存內(nèi)計(jì)算，并有望發(fā)展超低能耗的人工智能?，F(xiàn)有的存內(nèi)計(jì)算設(shè)備主要基于電荷傳輸，這一過(guò)程不可避免地會(huì)產(chǎn)生焦耳熱。近期的研究發(fā)現(xiàn)磁振子可以在亞鐵磁和反鐵磁絕緣體中傳輸自旋而不涉及電荷運(yùn)動(dòng)，在作為信息載體處理和傳輸信息時(shí)不產(chǎn)生明顯的熱耗散，是開(kāi)發(fā)低耗散自旋邏輯-存儲(chǔ)設(shè)備的有效途徑。非相干磁振子可以在直流電路中被電（或者熱）激發(fā)，使其與當(dāng)前的半導(dǎo)體技術(shù)兼容。另一方面，在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)施加?xùn)艠O電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)磁振子邏輯運(yùn)算也十分重要。然而，目前在室溫下操縱磁振子流傳輸?shù)募夹g(shù)主要依賴(lài)于通過(guò)施加磁場(chǎng)來(lái)重新調(diào)整磁性序或調(diào)節(jié)磁疇結(jié)構(gòu)。
該研究將多鐵性材料與磁振子存儲(chǔ)器相結(jié)合進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，利用多鐵性材料實(shí)現(xiàn)對(duì)磁振子力矩的非易失性調(diào)控，并提出了一種柵極電壓調(diào)控可重構(gòu)磁振子邏輯存儲(chǔ)器。該邏輯存儲(chǔ)器包括多個(gè)位于同一個(gè)電流通道上的鐵磁/多鐵性鐵酸鉍BiFeO3存儲(chǔ)單元。通過(guò)在電流通道中施加電流脈沖，可以在多鐵性材料中產(chǎn)生非相干磁振子流，并通過(guò)磁振子力矩將自旋信息并行地、非易失性地寫(xiě)入多個(gè)存儲(chǔ)單元。通過(guò)原位施加?xùn)艠O電壓脈沖翻轉(zhuǎn)鐵電極化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁振子自旋傳輸?shù)姆且资钥刂啤?/p>
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出并演示了一種基于多鐵性磁振子自旋力矩的可重構(gòu)邏輯存儲(chǔ)器。這賦予了該邏輯存儲(chǔ)器在不改變電路拓?fù)涞那闆r下，可以被重構(gòu)實(shí)現(xiàn)16種布爾代數(shù)運(yùn)算的能力。該器件減少了中間計(jì)算參數(shù)復(fù)制的必要性，顯著降低了內(nèi)存區(qū)域開(kāi)銷(xiāo)和功耗，并消除了斷電后重新加載數(shù)據(jù)的需要。這些特點(diǎn)凸顯了多鐵性磁振子器件在低功耗存內(nèi)計(jì)算方面的潛力。
圖2.室溫下基于磁振子力矩的信息寫(xiě)入
圖3.室溫下原位非易失性電壓調(diào)控磁振子力矩
圖4. 基于多鐵性磁振子力矩的可重構(gòu)邏輯存儲(chǔ)器
近日，相關(guān)研究成果以“電壓調(diào)控多鐵磁振子力矩實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)邏輯存儲(chǔ)器”（Voltage control of multiferroic magnon torque for reconfigurable logic-in-memory）為題，在線(xiàn)發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。
清華大學(xué)集成電路學(xué)院副教授南天翔、材料學(xué)院副教授易迪和教授林元華為論文通訊作者，清華大學(xué)集成電路學(xué)院博士后柴亞紅、博士后梁宇晗、2022級(jí)博士生肖燦誠(chéng)為論文共同第一作者。其他重要合作者還包括集成電路學(xué)院教授吳華強(qiáng)、副教授唐建石，材料學(xué)院教授谷林、副教授馬靜，物理系教授于浦、副教授江萬(wàn)軍，高等研究院博士后李博，中國(guó)科學(xué)院物理所副研究員張慶華等。美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校教授嚴(yán)昌范（Chang-Beom Eom）、美國(guó)康奈爾大學(xué)教授丹尼爾C·拉爾夫（Daniel C. Ralph）、波蘭克拉科夫AGH大學(xué)副教授維托爾德·斯科沃蘭斯基（Witold Skowroński）提供了重要討論和支持。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金和清華大學(xué)自主科研項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-50372-3
供稿：集成電路學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：趙存存
編輯：李華山
審核：郭玲
