存储逻辑一体化器件和相关的物理研究

The memory and CPU are separated in a traditional von Neumann architecture computer. Information reading is much slower than information processing, and information transmission/transform consumes a lot of energy. This is a bottleneck of computer performance enhancement. The aim of this proposal is designing a novel current type magnetic logic device feasible for practical application. The logic output of this device is the magnitude of current, compatible with the next generation current based magnetization reversal technique. This device is an integrated memory logic device, capable of magnetic memory, magnetic logic and electric writing. The research contents of this proposal are: (1) to study the transport mechanism of current type magnetic logic device; (2) to study operating mode of the current type magnetic logic device, realizing information reading, information processing and information writing in one cycle of the clock; (3) to study the operating mode of CPU based on the current type magnetic logic device, and to realize every unit of the device capable of both logic processing and nonvolatile memory. The units of the device are highly parallel so that the device has a network structure capable of massive parallel calculation. This proposal is at international leading level. It will be helpful in promoting international status, and plays a positive role in Chinese economic development and social development.

传统的冯－诺依曼结构的计算机的非易失磁存储器和CPU是分离的，信息读写过程比CPU的信息处理过程慢，且信息传输和转换耗费大量能量，这是提升计算机性能的瓶颈。本项目的研究目标是设计出一种面向实用化的新型电流型磁电子逻辑器件。该器件的逻辑输出是电流的高低，可以与下一代的电流基磁化翻转技术相兼容。该器件是存储逻辑一体化器件， 可在一个器件上完成磁存储磁逻辑和电写入。本项目的研究内容：（1）研究电流型磁电子逻辑器件输运机理，（2）研究电流型磁电子逻辑器件运行模式，实现信息读取、运算、写入在一个时钟周期中完成。（3）研究基于电流型磁电子逻辑器件的处理器的运行模式，实现每个单元都能既做运算也可以非易失存储，单元之间高度平行，可以实现网络结构，做到大量并行运算。本项目的研究具有国际领先地位，它的成功将为新型芯片的研发提供一个新的途径，有利于提升中国芯片研究的国际地位，对中国经济建设和社会发展有积极作用。

现代电子计算机的存储和计算, 对应于存储器和处理器，在目前的计算机架构中是分离的，数据通过总线在存储器和处理器之间传输，这一存算分离的架构称为冯·诺伊曼架构。由于近年来计算单元的运行速度的发展快于存储单元，导致当面对大量数据时，处理器不得不等待来自于存储单元的数据，因此运算速度受到严重制约，这一问题被称为“存储墙”。另一方面，在冯·诺伊曼架构中，数据在计算单元和存储单元之间进行传输, 造成了大量的能耗。这些问题本质上都是由于冯·诺伊曼架构引起的，因而被称为冯·诺伊曼瓶颈。为从根本上解决这些问题， 人们开始寻求一种将存储与计算单元相融合的新型计算机架构，希望能够找到一种兼具非易失性、高运算速度和低能耗的新型磁逻辑器件，能够在非易失存储信息的同时进行数据的运算，并完成运算结果的存储。.虽然人们已经在磁逻辑器件方面做了很多工作，但仍然有两个问题尚待解决。（1）希望实现高速低能耗的能够完成存内计算任务的磁存储逻辑一体化器件（2）研究能够实现加法器等更加复杂的算术运算功能的磁逻辑器件。本项目围绕这些问题展开。. 本项目主要是研发了特征长度为1μm的电流型非易失可重构自旋逻辑器件，它能够进行与、或、与非、或四种可重构磁逻辑运算并同时完成运算结果的存储，逻辑运算操作时间为7.51 ns, 逻辑运算能耗为6.03 pJ，逻辑运算出错概率为2.8×10-7， 这些指标都达到了同尺寸的CMOS器件的水平， 该器件可以在0-100℃下工作。 在同尺寸下，该器件基本上达到了CMOS硅逻辑器件的水平。我们还研发了1μm的电压型非易失可重构自旋逻辑器件，在同尺寸下，该器件比CMOS硅逻辑器件的水平好约10倍。我们还利用级联成功实现了电压型的磁半加器和磁全加器。. 本项目为存算一体化的非冯诺伊曼计算机架构提供了一些可行的器件。