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摘要
为突破冯·诺依曼瓶颈的“内存墙”,研究人员提出了采用存储和计算单元融合方案的存
算一体架构。常用的存算一体架构的存储介质为静态随机存储器(SRAM)和动态随机存储器
(DRAM),但两者都是易失的,应用场景有限;闪存(Flash)是非易失的,但使用寿命短和
需要纠错机制。基于自旋轨道矩(SpinOrbitTorque,SOT)的磁电子器件——霍尔条(Hall-bar)
具有使用寿命长、易制备、阻态连续变化、非易失编程及可支持存内计算等特性,在实现多
比特存储具备一定的优势。因此本文基于SOT的霍尔条器件,围绕如何实现多比特信息存储
单元,开展了如下研究:
(1)Hall-bar性能测试与模型建立。基于自旋轨道力矩效应理论,设计了器件的最优结
构,实现了零场自旋轨道矩翻转,利用电学测试平台测试了器件磁滞回线、等量脉冲及不等
量脉冲的电流驱动磁矩翻转曲线,获得了器件状态调节的最佳脉冲幅值、宽度及个数取值,
并使用Verilog-A语言建立了基于脉冲电流个数和宽度的Hall-bar电学模型,并结合读写电路
仿真验证了电学模型的准确性。
(2)一致性补偿方案设计与实现。针对器件之间的差异,首次提出基于Hall-bar的偏置
补偿方法及电路,采用Hall-bar与偏置电阻级联形式,将偏置电路接入Hall-bar读取路径中,
实现读写分离,可补偿单个Hall-bar的偏置误差,从而减小器件一致性问题影响。实验表明,
采用该方法将Hall-bar偏置由大于180mV降低至0.443mV,有效地解决了器件输出偏置一致
性问题。
(3)Hall-bar磁性存储单元电路仿真、实现与测试。利用Hall-bar电学模型进行了磁性
存储模块及其外围电路的设计与仿真,验证了整体系统的可行性;结合器件多态存储等特点,
采用脉冲电流幅值、宽度及个数的调节方式,首次构建了基于Hall-bar的磁存储模块,可实
现对Hall-bar的精确调控和编程,并且搭建了测试平台,测得Hall-bar反常霍尔电阻随着不同
脉冲电流幅值、宽度及个数变化的重复性测试曲线,及单个Hall-bar在不同读信号下的输出
结果。
本文研究了CoPt单层和多层薄膜两种器件,通过磁存储模块对其进行了测试,实验结果
表明:该模块可以实现不低于3bit的可重复的状态存储,可以支持读电流与多比特反常霍尔
电阻的模拟乘法运算,乘法运算实际测试结果与理论值存在不超过5.4%的误差,单个器件最
多测得超过50个阻态,通过电路改进及器件工艺优化可以实现更高比特存储。基于Hall-bar
的磁性存储单元丰富了存算一体的储存单元电路种类,为存算一体提供了新的实现方式。
关键词:自旋电子器件;Hall-bar;偏置补偿;磁性存储器件
ABSTRACT
ToovercomememorywallofthevonNeumannbottleneck,researchershaveproposedastorage-
computingfusionarchitecturethatintegratesstorageandcomputingunits.Thecommonlyused
storagemediainstorage-computingfusionarchitecture,suchasstaticrandomaccessmemory
(SRAM)anddynamicrandomaccessmemory(DRAM),arevolatileandhavelimitedapplication
scenarios.Flashmemory,whichisnon-volatile,hasashortlifespan,requireserror-correction
mechanisms,andcanonlybereadandwrittenalimitednumberoftimes.Therefore,basedonspin-
electronicdevices,researchersh
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