一种基于自旋轨道耦合的感存算一体结构及其操作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于自旋轨道耦合的感存算一体结构及其操作方法，其结构包括：衬底以及形成于衬底上的功能层，功能层包括依次堆叠于衬底上的SOT感应层、绝缘层和磁场生成层，且划分为N个功能区，N≥1，在每个功能区中：磁场生成层形成有电流支路，用于传输上层电流；SOT感应层设置有SOT器件，SOT器件为包括电流施加条和电压测试条的Hallbar结构，电流支路与电流施加条相互垂直，电流支路输入上层电流后产生方向与电流施加条中电流方向平行的均匀磁场，电流施加条中输入写电流与所述均匀磁场共同作用，在SOT器件中写入稳定的反常霍尔电阻，电压测试条用于测试反常霍尔电压。通过以上结构，可以集感知、存储和运算为一体，大大提高运算速度并降低功耗。提高运算速度并降低功耗。提高运算速度并降低功耗。

【技术实现步骤摘要】
一种基于自旋轨道耦合的感存算一体结构及其操作方法


[0001]本专利技术属于计算机存储与运算
，更具体地，涉及一种基于自旋轨道耦合的感存算一体结构及其操作方法。

技术介绍

[0002]数字电子计算机能进行各种信息处理，其中最常用的是各种算术运算，在数字电路中加法运算和乘法运算是运算电路的核心。在实际的应用中，通用的加法器可以用晶体管级的电路或者由其他现成的逻辑门等复杂的电路组合实现，然而，晶体管物理尺寸逐渐达到物理极限，能耗墙的问题不可忽视。并且，在冯
·
诺依曼体系中，运算模块和存储模块在物理上是分离开来的，进一步增加了很多额外功耗，降低了运算速度。为了对逐步增长的海量信息进行存储和运算，迫切需要一种结构简单、速度更快、功耗更低、寿命更长的非易失性的兼具存储和逻辑运算功能的感存算一体器件。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于自旋轨道耦合的感存算一体结构及其操作方法，其目的在于将感、存、算功能集于一体，以提高运算速度、降低能耗。
[0004]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于自旋轨道耦合的感存算一体结构，包括：
[0005]衬底以及形成于衬底上的功能层，所述功能层包括依次堆叠于衬底上的SOT感应层、绝缘层和磁场生成层，且划分为分布于衬底不同位置的N个功能区，N≥1，在每个功能区中：
[0006]所述磁场生成层形成有电流支路，用于传输上层电流；
[0007]所述SOT感应层设置有SOT器件，所述SOT器件为包括电流施加条和电压测试条的Hallbar结构，所述电流支路与所述电流施加条相互垂直，所述电流支路输入上层电流后产生方向与电流施加条中电流方向平行的均匀磁场，所述电流施加条用于在输入写电流期间与所述均匀磁场共同作用，以在所述SOT器件中写入稳定的反常霍尔电阻，所述电压测试条用于在所述电流施加条上输入读电流期间，测试所述SOT器件的反常霍尔电压，以得到所述SOT器件的反常霍尔电阻；
[0008]所述绝缘层电隔离所述电流支路和所述Hallbar结构。
[0009]在其中一个实施例中，所述电流施加条中被测试反常霍尔电压的测试区域位于所述电流支路的正投影区域。
[0010]在其中一个实施例中，N≥3，第1至第N
‑
1功能区中的电流支路用于分别输入电流并汇合后从第N功能区中的电流支路输出。
[0011]在其中一个实施例中，每个功能区中的功能层的结构相同。
[0012]在其中一个实施例中，还包括控制电路，所述控制电路包括：
[0013]写入子单元用于：向对应功能区中的电流支路输入上层电流I
SE
，向对应功能区中的电流施加条输入写电流I
EN
，以在对应功能区中SOT器件写入反常霍尔电阻R
H
，实现对应功能区的数据写入，且，R
H
＝k*I
SE
，k为比例系数；
[0014]读取子单元用于：在功能区写入数据后，撤销对应功能区的上层电流I
SE
和写电流I
EN
，向对应功能区中的电流施加条输入读电流I
RE
，通过对应功能区中的电压测试条测试对应功能区SOT器件的反常霍尔电压U
H
，并计算得到反常霍尔电阻R
H
，实现对应功能区的数据读取。
[0015]在其中一个实施例中，
[0016]所述感存算一体结构具有电流感知功能，所述控制电路还包括电流感知子单元，用于根据功能区SOT器件的反常霍尔电阻R
H
计算对应功能区的上层电流I
SE
，实现对应功能区中上层电流信号的感知；
[0017]和/或，
[0018]所述感存算一体结构具有乘法功能，所述控制电路还包括乘法运算子单元，用于根据功能区SOT器件的反常霍尔电压U
H
计算对应功能区中的上层电流I
SE
和读电流I
RE
的乘积I
SE
*I
RE
，实现对应功能区的乘法运算。
[0019]在其中一个实施例中，N≥3，第1至第N
‑
1功能区中的电流支路用于分别输入电流并汇合后从第N功能区中的电流支路输出，所述感存算一体结构具有加法功能，所述控制电路还包括加法运算子单元，用于根据第N功能区SOT器件的反常霍尔电阻R
H
计算第1至N
‑
1功能区中各电流支路所输入的上层电流之和，实现加法运算，或，根据不同功能区中SOT器件的反常霍尔电阻之间的运算关系，推算对应功能区中的上层电流之间的运算关系。
[0020]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种感存算一体结构的操作方法，所述感存算一体结构为上述的感存算一体结构，所述操作方法包括数据写入、数据读取和数据运算中任一种或几种，其中，
[0021]数据写入的过程为：向功能区中的电流支路输入上层电流I
SE
，向对应功能区中的电流施加条输入写电流I
EN
，以在对应功能区中SOT器件写入反常霍尔电阻R
H
，实现对应功能区的数据写入，且，R
H
＝k*I
SE
，k为比例系数；
[0022]数据读取的过程为：在功能区写入数据后，撤销对应功能区的上层电流I
SE
和写电流I
EN
，向对应功能区中的电流施加条输入读电流I
RE
，通过对应功能区中的电压测试条测试对应功能区SOT器件的反常霍尔电压U
H
，并计算得到反常霍尔电阻R
H
，实现对应功能区的数据读取；
[0023]所述数据运算包括电流感知或乘法运算，其中，
[0024]所述电流感知的过程为：先写入数据，再在读取数据期间根据功能区SOT器件的反常霍尔电阻R
H
计算对应功能区的上层电流I
SE
，实现对应功能区中上层电流信号的感知；
[0025]所述乘法运算的过程为：先写入数据，再在读取数据期间根据功能区SOT器件的反常霍尔电压U
H
计算对应功能区中的上层电流I
SE
和读电流I
RE
的乘积I
SE
*I
RE
，实现对应功能区的乘法运算。
[0026]在其中一个实施例中，在写入数据之前，通过测试确定合适的写电流，使功能区中SOT器件的反常霍尔电阻R
H
和对应功能区的上层电流I
SE
呈线性关系。
[0027]按照本专利技术的另一个方面，还提供了一种感存算一体结构的操作方法，所述感存
算一体结构为上述的感存算一体结构，所述操作方法包括数据写入、数据读取和数据运算中的任一种或几种，其中，...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自旋轨道耦合的感存算一体结构，其特征在于，包括：衬底以及形成于衬底上的功能层，所述功能层包括依次堆叠于衬底上的SOT感应层、绝缘层和磁场生成层，且划分为分布于衬底不同位置的N个功能区，N≥1，在每个功能区中：所述磁场生成层形成有电流支路，用于传输上层电流；所述SOT感应层设置有SOT器件，所述SOT器件为包括电流施加条和电压测试条的Hall bar结构，所述电流支路与所述电流施加条相互垂直，所述电流支路输入上层电流后产生方向与电流施加条中电流方向平行的均匀磁场，所述电流施加条用于在输入写电流期间与所述均匀磁场共同作用，以在所述SOT器件中写入稳定的反常霍尔电阻，所述电压测试条用于在所述电流施加条上输入读电流期间，测试所述SOT器件的反常霍尔电压，以得到所述SOT器件的反常霍尔电阻；所述绝缘层电隔离所述电流支路和所述Hallbar结构。2.如权利要求1所述的基于自旋轨道耦合的感存算一体结构，其特征在于，所述电流施加条中被测试反常霍尔电压的测试区域位于所述电流支路的正投影区域。3.如权利要求1所述的基于自旋轨道耦合的感存算一体结构，其特征在于，N≥3，第1至第N
‑
1功能区中的电流支路用于分别输入电流并汇合后从第N功能区中的电流支路输出。4.如权利要求3所述的基于自旋轨道耦合的感存算一体结构，其特征在于，每个功能区中的功能层的结构相同。5.如权利要求1至4任一项所述的基于自旋轨道耦合的感存算一体结构，其特征在于，还包括控制电路，所述控制电路包括：写入子单元用于：向对应功能区中的电流支路输入上层电流I
SE
，同时向对应功能区中的电流施加条输入写电流I
EN
，以在对应功能区中SOT器件写入反常霍尔电阻R
H
，实现对应功能区的数据写入，且，R
H
＝k*I
SE
，k为比例系数；读取子单元用于：在功能区写入数据后，撤销对应功能区的上层电流I
SE
和写电流I
EN
，向对应功能区中的电流施加条输入读电流I
RE
，通过对应功能区中的电压测试条测试对应功能区SOT器件的反常霍尔电压U
H
，并计算得到反常霍尔电阻R
H
，实现对应功能区的数据读取。6.如权利要求5所述的基于自旋轨道耦合的感存算一体结构，其特征在于，所述感存算一体结构具有电流感知功能，所述控制电路还包括电流感知子单元，用于根据功能区SOT器件的反常霍尔电阻R
H
计算对应功能区的上层电流I
SE
，实现对应功能区中上层电流信号的感知；和/或，所述感存算一体结构具有乘法功能，所述控制电路还包括乘法运算子单元，用于根据功能区SOT器件的反常霍尔电压U
H
计算对应功能区中的上层电流I
SE
和读电流I
RE
的乘积I
SE
*I
RE
，实现对应功能区的乘法运算。7.如权利要求5所述的基于自旋轨道耦合的感存算一体结构，其特征在于，N≥3，第1至第N
‑
1功能区中的电流支路用于分别输入电流并汇合后从第N功能区中的电流支路输出，所述感存算一体结构具有加法功能，所述控制电路还包括加法运算子单元，用于根据第N功能区的反常霍尔电阻R
H
计算第1至N
‑
1功能区中各电...

【专利技术属性】
技术研发人员：游龙，李若凡，郭喆，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：