纳磁体逻辑电路磁环式低功耗时钟构筑研究

Nanomagnet logic circuits possess great application prospective in fields of space electronics and computer. In this project, the problem how to construct a low power on-chip clocking for it will be investigated, mainly on the operating mechanism, model building, design and applications of the clocking. Firstly, the structure of the magneto-circular clocking will be proposed, and its operating mechanism will be deeply studied from the prospective of electromagnetism and micromagnetism to reach a whole theory model. Secondly, the efficacy computation model of the clocking will be built to explore its performance on efficiency and dissipation, meanwhile the feature of clock frequency and edge will be deeply studied, so as to achieve an optimal design principle of the clocking. Finally, the reliability impact that the clocking may lead to nanomagnetic logic computation will be analysized to make a reliable constructing scheme. In addition, the method of clocking layout and placement in circuits design will be proposed. The development and the prospective achievements of the project can not only provide important analysis basis and technique supports for the magneto-circular clocking, but also offer a novel scheme to the practicality of clocking for nanomagnet logic circuits.

纳磁体逻辑电路在空间电子和计算机领域具有广泛的应用前景。本项目着眼于为其构筑一种低功耗片上时钟，主要探讨时钟的工作机理、模型建立和设计应用等问题。首先，提出磁环式时钟的基本结构，从电磁学和微磁学两个方面研究其物理机制，建立完整的理论模型。其次，建立时钟的效能模型，探索时钟的效率和能耗范围，同时研究时钟频率和边沿特性，进而归纳提出时钟的优化设计原则。最后研究时钟对纳磁体逻辑计算可靠性的影响，获取可靠的构筑方案，并提出时钟在电路设计中的规划布放方法。本项目的开展以及预期研究成果可对磁环式时钟的设计实现提供重要的分析依据和技术指导，为纳磁体逻辑电路时钟走向实用化提供新的方案。

纳磁体结构存在双稳态磁化方向，用来携带信息具有非易失性，而且单比特转换能耗理论上可达0.1aJ，低于晶体管理论上限，但是驱动它们磁化翻转的时钟电路是实现低能耗的瓶颈。.本研究提出了磁环式时钟结构，利用电磁学理论对其工作原理进行了分析，对时钟材料、形状尺寸、信号波形和频率对性能影响进行了深入研究，对影响电路可靠性的磁感应串扰和寄生电容进行了建模计算，得到激励电流、损耗功率和功耗延迟积等重要数据，发现该时钟的构筑原则和限制条件。利用微磁学模型研究了基于电场调控的应变时钟机理和性能，提出了倾斜电极调控双相多铁纳磁体快速磁化翻转方法，解决了传统应变时钟调控纳磁体阵列存在传输方向不确定及效率低的问题；提出了自旋霍尔效应辅助应变时钟。.重要结论和数据如下：.1.时钟频率为1GHz时，采用高磁导率铁氧体材料作为时钟磁层，磁环式时钟功耗均分到单个纳磁体磁化翻转小于10aJ，单比特功耗延迟积理论上可达10-27 J-sec，比传统外磁场时钟提高两个数量级，与目前效率最高的多铁双相纳磁体以及14nm FINFET晶体管的理论值在同一个数量级。提升时钟磁层的饱和磁化和磁导率，可进一步减小功耗，同时也是磁环式时钟在GHz以上频率需要突破的瓶颈。.2.磁环式时钟使用传统四相位时钟信号会存在较大的磁感应串扰，提出偏置时钟信号方案，在原来零电平相位加入反向电流，产生的反向磁场可以抵消相邻时钟线之间的磁感应串扰，此方法可同时消除时钟磁层剩磁在该相位的影响。.3.将电极对轴线与纳磁体长轴倾斜5度角时，可有效打破多铁双相纳磁体磁化翻转选择的对称性，减小调控纳磁体磁化转换的启动时间和阈值应力。利用该思想设计了纳磁体阵列的控制电路，纳磁体磁化翻转平均能耗约为5aJ，单比特功耗延迟积达到10-26 J-sec量级。自旋霍尔效应辅助应变时钟的平均功耗为250fJ。.本项目关于低功耗时钟的研究结论对纳磁体电路实用化具有科学意义。.