Память c иcпользованием СТП и спинтронные логические схемы

Магниторезистивная пороговая логика – новая наноэлектронная элементная база для нейрокомпьютеров

Возможность целенаправленно изменять электрическое сопротивление магниторезистивных ячеек и пороговый характер СТП сделали их перспективными и для построения на их основе устройств т. н. "пороговой" логики. В ней используются "пороговые" логические вентили (англ. Threshold Logic Unit, TLU), являющиеся упрощенным аналогом биологических нейронов (рис. 2.13.а). Их входные и выходные сигналы являются двоичными, но внутри происходит относительно сложная обработка сигналов. Каждому входному сигналу (x_i) ставится в соответствие его "удельный вес" w_i (действительное число), характеризующий степень его значимости. Сигналы, умноженные на их "удельный вес", складываются, и результат сравнивается с установленным на основании предыдущего опыта "порогом" w_Π. Выходом вентиля является логическая "1", если , либо логический "0", если .

"Удельный вес" того или иного входа могут задавать магниторезистивные ячейки, электропроводность которых зависит от направлений намагниченности "фиксированного" и "свободного" ферромагнитных элементов. При параллельной ориентации намагниченностей электропроводность относительно высока, при антипараллельной – значительно меньше.

Рис. 2.13. (а) Функциональная схема порогового элемента ("искусственного нейрона"); (б) и (в) структура магниторезистивного элемента с двумя и с четырьмя значениями электропроводности

На рис. 2.13.б показана структура магниторезистивной ячейки, в которой нижний ферромагнитный слой состоит из двух "фиксированных" ферромагнитных элементов (ФФЭ) и одного "свободного" (СФЭ). Пропуская импульс электрического тока того или иного направления между электродами 2 и 3, можно перемагнитить СФЭ параллельно или антипараллельно к намагниченности верхнего ФФЭ. Это состояние запоминается, и в дальнейшем электропроводность G между электродами 1 и 2 (или 1 и 3) остается заданной – высокой или низкой.

На рис. 2.13.в показана структура магниторезистивной ячейки, в которой нижний ферромагнитный слой состоит из трех "фиксированных" ферромагнитных элементов (ФФЭ) и двух "свободных" (СФЭ). Пропуская импульс электрического тока того или иного направления между электродами 1, 2 и 3, каждый из СФЭ можно независимо перемагнитить параллельно или антипараллельно к намагниченности соответствующего верхнего ФФЭ. Состояния обоих СФЭ запоминаются, и в дальнейшем электропроводность G между электродом 1 и электродом 2 (или 3) остается заданной и может иметь уже одно из 4-х значений. Увеличивая число "фиксированных" и "свободных" ферромагнитных элементов, можно построить магниторезистивные ячейки с 8, 16 и т.д. разными значениями электропроводности. Но для практики обычно достаточно 2-4 значений. Отметим, что размеры этих ферромагнитных элементов составляют примерно 20 × 60 нм, и каждый из них представляет собой один единственный магнитный домен. Следовательно, размеры магниторезистивной ячейки на рис. 2.13.в составляют около 100 × 60 нм. Это – наноразмерный элемент.

Одна из новейших функциональных схем магниторезистивного порогового вентиля на 3 входа показана на рис. 2.14. Входы здесь являются двухканальными: каждый состоит из двух "ветвей": "+" и "–". Когда на вход подается логическая "1", то на ветвь "+" приходит импульс напряжения положительной полярности и одновременно на ветвь "–" – импульс отрицательной полярности. Отсутствие импульсов означает логический "0". И ко входу "+", и ко входу "–" подключена своя магниторезистивная ячейка. В шине сложения (ШС) токи и , протекающие сквозь эти ячейки, вычитаются.

Рис. 2.14. (Cхема магниторезистивного порогового вентиля (искусственного нейрона) на 3 входа

Все вместе 6 магниторезистивных ячеек левого столбца составляют блок умножения входных сигналов на их "удельные веса" (БУУВ). К шине сложения (ШС) подключены также выходы двух магниторезистивных ячеек правого столбца, составляющих вместе блок формирования порогового значения (БФПЗ). Из этих ячеек в шину сложения втекают токи и , где и – электропроводности соответствующих магниторезистивных ячеек, каждая из которых может иметь одно из 4-х значений. Эти значения, как и значения всех и (і = 1, 2, 3), предварительно устанавливаются и при необходимости могут быть изменены через входы ввода уставок (Уст). Из шины сложения (ШС) в выходную магниторезистивную ячейку втекает суммарный (∑) ток

( 2.1)

Если этот ток превышает пороговое значение тока СТП "свободного" ферромагнитного элемента, то последний перемагничивается в другое состояние. Потенциал точки Т при этом существенно изменяется, и на выходе выходного блока (ВыхБ) формируется сигнал "1". В противном случае формируется сигнал логического "0". Как видно из формулы (2.1), описанная организация позволяет задавать и использовать не только положительные, но и отрицательные (когда G_i- > G_i+ ) весовые коэффициенты и сдвигать порог срабатывания "нейрона" как в положительном, так и в отрицательном направлениях.

Магниторезистивный пороговый вентиль размерами примерно 500 × 300 нм функционирует при следующих параметрах сигналов: 50 мВ; пороговый ток СТП ≈ 2 мкА; паразитная емкость внутренних межсоединений порядка 10 фФ; энергия срабатывания вентиля около 20 аДж; частота тактовых импульсов порядка 1 ГГц.

Это – новая наноэлектронная элементная база, открывающая "второе дыхание" для работ по созданию и применению нейрокомпьютеров, в которых используется стиль обработки информации, выбранный живой природой. Не исключено, что именно такая элементная база позволит успешно претворить в жизнь амбициозный проект "Человеческий мозг", стартовавший недавно в швейцарской Лозанне. Совмещение логики и памяти, массовый параллелизм обработки информации, начиная уже с самого нижнего системного уровня, – очень привлекательные особенности этого стиля.

Основные положения лекции 2

Ток перемагничивания методом СТП быстро уменьшается с уменьшением размеров ячейки. Уже при размерах ячейки меньше 300 нм критический ток, необходимый для перемагничивания этим методом, становится ниже электрического тока, необходимого для перемагничивания запоминающего элемента магнитным полем. Поэтому МРОЗУ стали первыми промышленными изделиями, в которых ныне уже широко используют метод СТП. Размер запоминающей ячейки МРОЗУ можно уменьшать аж до 10 нм. А время считывания информации в ультрабыстрых вариантах доведено уже до 300 пс.

Ведущие мировые корпорации уже сейчас разрабатывают новые комбинированные микросхемы КМДП+МРОЗУ с объемной интеграцией, в которых "на первом этаже" (под поверхностью и на поверхности кристалла кремния) формируют КМДП логические схемы и процессорные блоки, а над ними, "на втором этаже" того же кристалла формируют достаточно быструю энергонезависимую магниторезистивную память. Расстояния между логикой и оперативной памятью становятся кратчайшими, что позволяет повысить системное быстродействие. Благодаря тому, что "встроенное" МРОЗУ является энергонезависимым, значительно возрастают возможности программной настройки и перенастройки логики и процессорных блоков на требуемые режимы работы. Появилась возможность реализации новых адаптивных архитектур процессоров на кристалле, их "специализации" в соответствии с задачами конкретных пользователей.

Возможность быстрого (порядка 100 м/с) перемещения магнитных доменов вдоль ферромагнитного проводника при пропускании спин-поляризованного электрического тока позволяет реализовать быструю "трековую" память – наноэлектронный аналог прежних накопителей на магнитной ленте. "Объемная" реализация такой памяти обеспечивает плотность записи информации на порядки выше, чем в других видах полупроводниковой памяти. А "плоская" реализация позволяет создать твердотельную память с плотностью записи порядка 10¹⁰ бит/см², лишь немного уступающей магнитным дискам. Но ей уже не нужны высокоточные механические приводы, она не боится вибраций и ударов, для ее обслуживания не нужен дополнительный объем.

Как и МРОЗУ, спинтронные устройства обработки информации можно условно разделить на два "поколения". В первом для переключения логических элементов используют магнитное поле, а во втором – СТП. Логические возможности спинтронных вентилей с переключением магнитным полем весьма широки. Из них можно создать технически полную систему логических элементов с циклом выполнения логических операций порядка 150 пс и энергией переключения на одну логическую операцию порядка 100 фДж. К тому же они имеют еще и такие преимущества, как высокая радиационная стойкость, возможность работы при температурах до 300 °С и даже выше, стойкость к обычным электромагнитным помехам.

К первому поколению спинтронных логических элементов относится также "логика на наномагнитах", которую именуют также "магнитные клеточные автоматы" (МКА). Для построения такой логики используют продолговатые ферромагнитные элементы, имеющие выраженную анизотропию формы, которые в равновесии могут пребывать только в состояниях намагниченности вдоль длинной оси. На таких элементах можно легко реализовать мажоритарную и антимажоритарную логические функции, а также логические функции AND, OR, NAND, NOR и т.д. Они образуют функционально полный набор логических элементов, и поэтому с помощью сети МКА можно строить достаточно сложные процессоры. Для уменьшения энергопотребления при переключениях наномагнитов из одного состояния в другое и ускорения переключений часто используют импульсное магнитное поле, перпендикулярное к направлению намагниченности ФНЭ. Во "втором поколении" логики на наномагнитах для формирования требуемых входных состояний используют явление СТП.

Спинтронные логические схемы 2-го поколения строят с использованием латерального, однодоменного или нелокального СТП. Для их функционирования требуются тактовые импульсы, а также усиление выходных сигналов и их формирование для воздействия на входы следующих логических каскадов. Поэтому разработки этих схем пошли путем сочетания спинтронных вентилей с КМДП схемами. Выигрыш при этом состоит в том, что площадь спинтронной мажоритарной схемы весьма мала (площадь одного магнитного домена). Уменьшается и потребляемая мощность. К тому же состояния выходных магниторезистивных ячеек запоминаются и сохраняются даже при выключении питания, что для многих применений оказывается очень важным. Предложены и разрабатываются перспективные комбинированные интегральные микросхемы, в которых в пластине кремния по КМДП технологии сформированы входные схемы, схемы подачи тактовых импульсов, схемы усиления и коммутации сигналов и выходные схемы, а над поверхностью окисла, на "втором этаже", сформированы спинтронные логические схемы.

Если в качестве критерия сравнения взять реализацию полного 32-разрядного двоичного сумматора, то при проектно-технологической норме 15 нм по такому интегральному показателю, как удельная скорость вычислений в петаоперациях (10¹⁵ операций) за секунду на 1 см² площади микросхемы, комбинированный (СП+КМДП) вариант при условии выделения при функционировании мощности не более 1 Вт/см², обеспечивает 4*10¹⁵ операций/(с*см²) и по этому показателю опережает почти все другие нанотехнологии. Конкурируют с ним только интегральные схемы на транзисторах с нанополосками графена. Но перед ними СП+КМДП вариант имеет такие важные преимущества, как энергонезависимость и возможность реконфигурации.

Предложен и исследован вариант магниторезистивного порогового вентиля на 3 входа, являющийся аналогом биологического нейрона. Имея размеры примерно 500 × 300 нм, он может работать на тактовой частоте порядка 1 ГГц, рассеивая за один такт энергию порядка 20 аДж. Эта новейшая наноэлектронная элементная база может "открыть второе дыхание" для направления создания и применения нейрокомпьютеров.

Набор для практики

Вопросы для самоконтроля

1. Чем отличается "второе поколение" магниторезистивной памяти от "первого"?
2. Что такое STT MRAM? А что такое STT+ТА MRAM?
3. Что такое "комбинированные микросхемы КМДП+МРОЗУ"? Каковы их преимущества?
4. На чем основана работа трековой памяти? Объясните физические причины одновременного движения всех доменов.
5. Почему трековая память с "объемной" организацией значительно превосходит в плотности хранения информации другие виды полупроводниковой памяти?
6. По какому признаку отличают "первое" и "второе поколения" спинтронной логики?
7. Начертите символы спиновых вентилей СВ-6 и СВ-8 в схемах и объясните, для чего предназначены все их функциональные элементы.
8. Докажите, что эти спиновые вентили образуют технически полную систему логических элементов.
9. Объясните, на чем основано функционирование логики на наномагнитах.
10. Начертите структуру антимажоритарной логической схемы на наномагнитах и объясните ее работу.
11. Чем отличается работа логики на наномагнитах 2-го поколения?
12. Объясните работу мажоритарной логической схемы с использованием "латерального" СТП.
13. Объясните работу мажоритарной логической схемы с использованием "однодоменного" СТП.
14. Объясните работу мажоритарной логической схемы с использованием "нелокального" СТП.
15. Почему спинтронные логические схемы 2-го поколения комбинируют с КМДП схемами?
16. По какому интегральному критерию комбинированные интегральные схемы СЛС+КМДП превосходят другие известные сейчас интегральные схемы?
17. Как функционирует пороговый логический вентиль? Почему его называют "искусственным нейроном"?
18. Как устроен пороговый магниторезистивный вентиль? Каковы его возможные размеры?