基于自旋霍尔效应磁隧道结的新一代自旋电子电路研究

As the process technology continuously scales, power consumption has become one of the most critical challenges of conventional integrated circuit. To deal with this problem, spin-electronics has emerged and developed rapidly in recent years, which has become a hot topic in deep sub-micron low-power integrated circuit. Now, the research focus of spin-electronics is to use spin transfer torque (STT) driven magnetic tunnel junction (MTJ) for memory can logic circuit design. However, based on our previous investigations, we found that there are some inherent problems existing in STT-MTJ based spin-electronics, such as writing power and reliability issues. The newly discovered spin Hall effect (SHE) is expected to solve these problems. In this proposal, we aim to study the SHE-MTJ based new-generation spin-electronics. Firstly, we study the physical mechanism and behavioral characteristics of SHE driven MTJ switching. Then, we develop an EDA model of SHE-MTJ for the later circuit design. At last, we explore the new-generation spintronic memory and logic circuit design based on the SHE-MTJ, which is promising to alleviate the dilemma of the classical Von-Neumann computing architecture. This project has important theoretical and practical significance for the development of integrated circuit.

随着工艺尺寸的不断微缩，功耗成为制约传统集成电路发展的关键挑战之一。为了解决这个问题，自旋电子电路近年来得到快速发展，已成为深亚微米低功耗集成电路的研究热点。目前，自旋电子电路的研究重点是利用自旋转移矩（STT）驱动的磁隧道结（MTJ）进行存储与逻辑计算电路设计。但在前期的研究工作中，我们发现基于STT-MTJ的自旋电子电路存在一些固有的问题与缺陷(如写入功耗与可靠性问题)，而最新发现的自旋霍尔效应（SHE）有望解决这些问题。本项目主要研究基于SHE-MTJ的新一代自旋电子电路。首先，研究SHE驱动MTJ状态翻转的物理机制与行为特性，并进行理论建模。然后，构造SHE-MTJ的EDA电气行为模型，为后续电路设计提供基础。最后，探索基于SHE-MTJ的新一代自旋存储与逻辑计算电路设计，以解决经典冯诺依曼计算体系结构面临的困境。本项目的研究成果对我国集成电路的发展具有重要的理论意义与实际价值。

随着工艺尺寸的不断微缩，静态功耗成为制约传统集成电路发展的关键挑战之一。此外，受限于传统冯诺依曼计算体系结构，在大数据背景下，数据搬移功耗成为新的瓶颈。为了解决这些问题，自旋电子电路近年来得到快速发展，已成为深亚微米低功耗集成电路的研究热点。在前期研究中，自旋电子电路的研究重点是利用自旋转移矩（STT）驱动的磁隧道结（MTJ）进行存储、逻辑计算电路设计以及构建新型计算架构。但在我们的研究工作中，我们发现基于STT-MTJ的自旋电子电路存在一些固有的问题与缺陷(如STT的写入功耗、时延与可靠性问题)，而最新发现的自旋霍尔效应（SHE）采用三端结构，可以很好地解决读写功耗、速度与可靠性问题。本项目主要研究基于SHE-MTJ的新一代自旋电子电路。首先，研究SHE驱动MTJ状态翻转的物理机制与行为特性，并进行理论建模。然后，构造SHE-MTJ的EDA电气行为模型，为后续电路设计提供基础。最后，探索基于SHE-MTJ的新一代自旋存储与逻辑计算电路设计，以解决经典冯诺依曼计算体系结构面临的困境。通过本项目的实施，我们抽象出了SHE-MTJ的物理理论模型，并成功构建了SHE-MTJ的SPICE电子模型，目前这个模型已经得到国内外很多单位的使用；基于此模型，我们搭建了自旋存储核心、外围电路、以及逻辑计算核心电路的设计；我们的电路可以得到功耗在fJ, 速度在ns级别；此外，我们还探索了SHE在新型自旋电子器件中的应用，如SHE驱动斯格明子（skyrmion）运动的赛道存储器与类脑器件等。本项目的研究成果对我国新一代自旋存储与计算芯片的发展具有重要的理论意义与实际价值。