对包含磁性隧道结的器件或电路进行仿真的方法和系统技术方案

提供了用于对包含磁性隧道结的器件或电路进行仿真的方法、系统和存储介质。所述方法包括：对待要进行仿真的所述器件或电路施加写入电压或写入电流，获取写入电压大小及其方向或写入电流大小及其方向；将所述写入电压大小及其方向或写入电流大小及其方向提供给构建的用于磁性隧道结的模型，并且使用所述构建的用于磁性隧道结的模型对所述器件或电路进行仿真，其中在所述模型中将自由层构建为由并联且独立的多个磁滞单元构成。通过上述方案，可以对磁性隧道结的多个状态及其稳定性、写入精度实现更加精细化的描述，从而使针对该类器件或电路的仿真更加准确和灵活。或电路的仿真更加准确和灵活。或电路的仿真更加准确和灵活。

【技术实现步骤摘要】
对包含磁性隧道结的器件或电路进行仿真的方法和系统


[0001]本申请涉及用于对包含磁性隧道结的器件或电路进行仿真的方法和系统。

技术介绍

[0002]在过去的十年中，人工智能(AI)、大数据和物联网(IoT)等相关技术迅速发展，这样的趋势增加了分析海量大数据和训练大量样本的需求，也对高密度、高速度和低功耗存储器的研发提出了新的要求。
[0003]人工智能(AI)的相关算法在我们的社会中发挥着关键作用。这些算法可以执行复杂的任务，诸如自动驾驶、面部识别和自然语言识别等功能。总得来说，人工智能的应用依赖于大量的数据收集、处理和存储。然而，在传统的硬件架构中，由于大量的数据在存储器和处理器之间来回存取，人工智能应用程序面临存储器访问延迟长、存储器带宽有限和功耗巨大等问题和瓶颈。因此，业界迫切需要降低能耗并加速人工智能应用程序的解决方案。
[0004]磁阻式随机存储内存(MRAM)，因其非易失性、高速度、低功耗、近乎无限的读写次数、出色的可扩展性以及与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺技术的良好兼容性，被认为是下一代通用存储器最有潜力的候选方案之一。对于MRAM，其基本构建模块之一是磁性隧道结(MTJ)。它的结构可以简化为由隧道势垒隔开的两个铁磁性(FM)层。其中一个铁磁性层通常具有固定的磁化方向，并被称为参照层(RL)。另一个铁磁性层，由于其磁化方向总是被改变，被称作“自由层”(FL)。由于巨磁阻效应，当参照层和自由层的磁化方向相对平行时，磁性隧道结的电阻明显小于两者磁化方向相反时的电阻值。同时，磁性隧道结的电阻可以容易地使用一个流经器件的小电流来测量(即通常所说的读取操作)。在实际应用中，如果只选用两个极值状态，则磁性隧道结的电阻可以用来表示二进制位(1和0)。另一方面，如果自由层的磁化强度和方向可以逐步甚至连续调整，则磁性隧道结也可以呈现出多个中间状态。
[0005]为了切换自由层的磁化强度和方向，一种方法是使用由通过磁性隧道结的自旋极化电流引起的自旋转移扭矩(STT)。然而，当磁性隧道结的横截面积为满足密度和功耗要求而减小时，由于超薄隧道势垒的老化和热扰动对读取电流的干扰，基于自旋轨道扭矩的磁性隧道结可能会面临耐用性和可靠性方面的挑战。此外，如何进一步降低写入电流和延迟，从而进一步降低功耗，仍然是一个具有挑战性的难题。
[0006]自旋轨道扭矩(SOT)是另一种实现自由层切换的机制。同时，它也克服自旋转移扭矩的一些缺点。对于基于自旋轨道扭矩的磁性隧道结，通常有一重金属(HM)层耦合在自由层的底部。当我们施加一穿过HM层的面内电流时，由电子的自旋轨道耦合效应(SOC)引起的自旋霍尔效应(SHE)导致了重金属层顶部的自旋积累，从而产生了垂直方向的自旋电流，该自旋电流对自由层施加了自旋轨道扭矩。与基于自旋转移扭矩的磁性隧道结相比，这里的写入电流流经的是重金属层，而非隧道结本身。这一改变防止了隧道势垒的老化甚至击穿。然而，基于自旋轨道扭矩的磁性隧道结通常需要较大的写入功耗，这一缺点一定程度上降低了工业界对该类型器件的兴趣。幸运的是，近年来随着研发工作的不断深入，人们发现借
助压控磁各向异性(VCMA)效应，我们可以通过在隧道结上施加额外的电压来明显降低自由层切换的势垒，可以通过参考Wang,W.
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G.,Li,M.,Hageman,S.,&Chien,C.L.(2012).Electric
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field
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assisted switching in magnetic tunnel junctions.Nature Materials,11(1),64
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68.https://doi.org/10.1038/nmat3171来获得这方面的内容，该文献的全部内容通过引用并入本文。势垒的降低不仅使隧道结的完全切换变得更加容易，而且通过减小所需的写入电流而降低了能耗，可以通过参考Zhang,K.,Zhang,D.,Wang,C.,Zeng,L.,Wang,Y.,&Zhao,W.(2020).Compact Modeling and Analysis of Voltage
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Gated Spin
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Orbit Torque Magnetic Tunnel Junction.IEEE Access,8,50792
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50800.https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2980073来获得这方面的内容，该文献的全部内容通过引用并入本文。
[0007]一般来说，无论采用何种切换机制，由于铁磁性材料的性质，磁性隧道结都具有呈现类似模拟信号般连续变化的状态切换的潜力。换句话说，除了前文所述的两个极值状态以外，磁性隧道结亦有能力呈现多个中间状态。类似于一般的铁磁性材料，磁性隧道结的自由层也由多个磁畴(domain)组成，在单一磁畴中，原子的自旋取向趋于一致。宏观上看，整个自由层的磁化强度与磁化方向由所有磁畴的磁化以及它们之间的相互作用决定。通常，针对不同的扫描方向，磁畴的翻转阈值是显著不同的，宏观上这通常表现为磁滞回路。换句话说，只要自由层磁畴的翻转不同时进行，即磁畴间的翻转阈值不同，磁性隧道结就有可能呈现多个中间状态。同时，由于铁磁性材料的磁化具有非易失性，即使写入电流被切断，磁性隧道结亦能保持所处的中间状态。值得注意的是，随着隧道结尺寸的减小，其状态连续变化的特征将逐渐转变为在各个中间状态之间跳变，并且最终由于过少的磁畴数量而转向近似两极化的翻转。
[0008]对于上文所述的多状态磁性隧道结，其最具潜力的应用之一是参与构建用于在物理上实现各种人工智能算法(例如：深层神经网络(DNN)训练和推理，可以通过参考Jung,S.,Lee,H.,Myung,S.,Kim,H.,Yoon,S.K.,Kwon,S.
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W.,Ju,Y.,Kim,M.,Yi,W.,Han,S.,Kwon,B.,Seo,B.,Lee,K.,Koh,G.
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H.,Lee,K.,Song,Y.,Choi,C.,Ham,D.,&#38；Kim,S.J.(2022).A crossbar array of magnetoresistive memory devices for in
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memory computing.Nature,601(7892),211
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216.https://doi.org/10.1038/s41586
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021
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04196
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6来获得这方面的内容，该文献的全部内容通过引用并入本文；和仿生神经网络的尖峰时间依赖性可塑性，可以通过参考Wang,D.,Wang,Z.,Xu,N.,Liu,L.,Lin,H.,Zhao,X.,Jiang,S.,Lin,W.,Gao,N.,Liu,M.,&#38；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于计算机程序实现的用于对包含磁性隧道结的器件或电路进行仿真的方法，其特征在于，所述磁性隧道结包括由隧道势垒隔开的两个磁性层，所述两个磁性层包括参照层和自由层，所述参照层的磁化强度和磁化方向是固定的，所述自由层的磁化强度和磁化方向是变化的，所述方法包括：对待要进行仿真的所述器件或电路施加写入电压或写入电流，获取写入电压大小及其方向或写入电流大小及其方向；将所述写入电压大小及其方向或写入电流大小及其方向提供给构建的用于磁性隧道结的模型，并且使用所述构建的用于磁性隧道结的模型对所述器件或电路进行仿真，其中在所述模型中将所述自由层构建为由并联且独立的多个磁滞单元构成。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述用于磁性隧道结的模型是通过如下方式构建的：在初始化期间，针对每个磁滞单元，生成关于写入电压大小及其方向或写入电流大小及其方向的翻转概率函数；在仿真验证期间，通过将每个磁滞单元的当前翻转概率与随机数进行比较来判断所述磁滞单元是否翻转，在完成所有磁滞单元的翻转判断操作后，对所有磁滞单元的状态进行代数加总，并记录所有磁滞单元的状态的总和，随后改变写入电压大小和/或其方向或者改变写入电流大小和/或其方向，对所有磁滞单元重复所述翻转判断操作；以及根据所述写入电压大小及其方向或写入电流大小及其方向以及所对应的记录的磁滞单元的状态的总和，确定所述用于磁性隧道结的模型的输出物理量。3.根据权利要求2所述的方法，其中在所述初始化期间，进一步包括：设置磁滞单元的数量N；设置每个磁滞单元的初始磁化状态和在两个方向上的翻转阈值，其中每个磁滞单元有且仅有两种磁化状态，所述初始磁化状态为所述两种磁化状态之一，在两个方向上的翻转阈值包括向上翻转阈值a和向下翻转阈值b，每个磁滞单元的向上翻转阈值a和向下翻转阈值b不同，并且不同磁滞单元之间的向上翻转阈值a或向下翻转阈值b不同；针对每个磁滞单元，生成关于所述写入电压大小及其方向或写入电流大小及其方向的翻转概率函数，其中所述向上翻转阈值a和向下翻转阈值b是所述翻转概率函数的平移参数。4.根据权利要求3所述的方法，其中在所述仿真验证期间，进一步包括：设置写入电压范围和/或写入电流范围以及相应的步进宽度，并且根据设置的写入电压范围和/或写入电流范围以及相应的步进宽度：1)针对每个磁滞单元：生成0和1之间的均匀随机数r；将当前写入电压和/或写入电流下所述磁滞单元的翻转概率p与所述均匀随机数r进行比较；如果所述均匀随机数r小于所述翻转概率p，则所述磁滞单元翻转，步骤进行到下一个磁滞单元；反之，如果所述均匀随机数r不小于所述翻转概率p，则所述磁滞单元不翻转，步骤进行到下一个磁滞单元；2)如果针对所有磁滞单元已经进行了步骤1)的操作，则对所有磁滞单元的状态进行代
数加总，并记录所有磁滞单元的状态的总和；3)根据所述相应的步进宽度，针对下一次步进，重复进行步骤1)和步骤2)的操作，直至遍历完所述写入电压范围和/或写入电流范围。5.根据权利要求2
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4中任一项所述的方法，其中所述磁滞单元的状态通过以下中的至少一个物理量进行表示：磁化强度与方向、霍尔电阻或隧穿磁阻。6.根据权利要求3或4所述的方法，其中所述两种磁化状态的绝对值相同但方向相反。7.一种基于计算机程序实现的用于对包含磁性隧道结的器件或电路进行仿真的系统，其特征在于，所述磁性隧道结包括由隧道势垒隔开的两个磁性层，所述两个磁性层包括参照层和自由层...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵启明，童梓涵，张顺钢，
申请(专利权)人：香港科技大学，
类型：发明
国别省市：