CN106030840B

CN106030840B - 磁畴壁逻辑器件及互连

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Publication number: CN106030840B
Application number: CN201480076331.1A
Authority: CN
Inventors: D·E·尼科诺夫; S·马尼帕特鲁尼; I·A·扬
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2019-03-01
Anticipated expiration: 2034-03-25
Also published as: US20170069831A1; CN106030840A; WO2015147807A1; KR20160136282A; TWI565112B; KR102244098B1; TW201603341A; US9847475B2; EP3123537A1; EP3123537A4

Abstract

描述了一种设备，其包括：第一、第二和第三自由磁层；耦合至第一和第三自由磁层的由第一材料构成的第一金属层；以及由不同于第一材料的第二材料构成的第二金属层，所述第二金属层耦合至第二和第三自由磁层。描述了一种STT多数决定门器件，其包括：被配置成环形的自由磁层；以及耦合至所述自由磁层的第一、第二、第三和第四自由磁层。

Description

磁畴壁逻辑器件及互连

背景技术

为了寻求一种使集成电路持续缩放并且使计算更具能量效率的方式，可以使用电子自旋器件。在电子自旋器件中，电子自旋携带并存储信息。这样的器件的一个特征是其非易失性(即，即使在关闭电路的供电时仍能保存计算状态)。这一特征开辟了通向常关、瞬时开逻辑芯片的途径，这种芯片消耗的静态功率更少，因而非常合乎移动系统的需要。电子自旋器件的另一特征是粒子的集体状态(而不是个体电子)经历开关。因而，电子自旋器件的每一位具有低得多的开关能量限制。电子自旋器件的供应电压可以与泄漏电流无关，并且能够被降至几十毫伏(mV)。这使得有功功率降低。

然而，已知的电子自旋逻辑器件可以不是级联的，因为磁信号具有有限的传播范围，并且可能不会对下一级进行驱动(即，没办法扇出)。已知的电子自旋逻辑器件可能不会将输入与输出隔离，因为磁信号可能在任一方向上传播。

附图说明

通过下文给出的具体实施方式以及本公开内容的各种实施例的附图，本公开内容的实施例将得到更加充分的理解，然而该具体实施方式和附图不应被看作使本公开内容局限于具体的实施例，而是仅用于解释和理解。

图1A示出了根据本公开内容的一个实施例的用于通过铁磁材料生成畴壁的自动移动的设备。

图1B示出了根据本公开内容的一个实施例的显示对图1A的设备的电流脉冲响应的曲线图。

图2示出了根据本公开内容的一个实施例的磁畴壁转发器。

图3示出了根据本公开内容的一个实施例的磁畴壁反相器。

图4示出了根据本公开内容的一个实施例的具有用以提供输出的磁隧道结器件的磁畴壁转发器。

图5示出了根据本公开内容的一个实施例的级联磁畴壁门。

图6A示出了根据本公开内容的一个实施例的处于环形拓扑结构中的自旋转矩多数决定(majority)磁畴壁门的顶视图。

图6B示出了根据本公开内容的一个实施例的处于环形拓扑结构中的自旋转矩多数决定门的多维视图。

图7示出了根据本公开内容的一个实施例的在处于环形拓扑结构的自旋转矩多数决定磁畴壁门中的磁方向随着时间的推移的模拟结果。

图8A示出了根据本公开内容的一个实施例的处于环形拓扑结构的扇出为三的自旋转矩磁畴壁门的顶视图。

图8B示出了根据本公开内容的一个实施例的处于环形拓扑结构的扇出为三的自旋转矩磁畴壁门的多向视图。

图9示出了根据本公开内容的一个实施例的扇出为三的自旋转矩磁畴壁门中的磁方向随着时间的推移的模拟结果。

图10示出了根据本公开内容的一个实施例的使用处于环形拓扑结构的自旋转矩多数决定磁畴壁门的1位加法器。

图11示出了根据本公开内容的一个实施例的具有磁畴壁逻辑器件和互连的智能装置或计算机系统或SoC(片上系统)。

具体实施方式

一些实施例描述了包括互连的磁畴壁逻辑器件，所述互连允许畴壁在具有面内磁化的铁磁线中自动移动。一些实施例描述了具有(多个)自旋转矩磁转发器和/或反相器的短铁磁互连。在一个实施例中，提供了一种设备，其包括：第一、第二和第三自由磁层；耦合至第一和第三自由磁层的由第一材料构成的第一金属层；以及由不同于第一材料的第二材料构成的第二金属层，所述第二金属层耦合至第二和第三自由磁层。在一个实施例中，第一金属层由来自元素周期表的铂族的过渡金属(例如，Ru)构成。在一个实施例中，第一、第二和第三自由磁层是铁磁层。

一些实施例描述了被配置成环形形状的用于面内磁化的自旋转矩多数决定磁畴壁逻辑门。在一个实施例中，提供了一种自旋转矩多数决定门器件，其包括：被配置成环形的自由磁层；以及耦合至自由磁层的第一、第二、第三和第四自由磁层。一些实施例描述了能够被级联而不限制级联的级的数量的磁畴壁逻辑器件。

实施例继续表现出非易失性的属性(即，即使关闭了对器件的供电，它们也能够保持其状态)。由实施例的磁畴壁逻辑器件形成的集成电路所消耗的能量比常规CMOS电路少。低功耗的一个原因在于能够在相对较短的时间段(例如，100ns)内将集成电路置于睡眠状态较长时间(例如，几毫秒)，因而与常规CMOS电路相比，以很少的能耗避免待机功率耗散。

在下文的描述中，讨论了很多细节以提供对本公开内容的实施例的更透彻的解释。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，能够在没有这些具体细节的情况下实践本公开内容的实施例。在其它实例中，通过方框图而非细节的形式示出了公知的结构和装置，以避免使本公开内容的实施例难以理解。

注意，在实施例的对应附图中，用线表示信号。某些线较粗以指示更多的构成信号通路，和/或在一个或多个末端上具有箭头以指示主要信息流向。这样的指示并非旨在构成限制。相反，联系一个或多个示范性实施例使用所述线能够促进对电路或逻辑单元的更容易的理解。由设计需要或偏好决定的任何所代表的信号都可以实际包括一个或多个信号，所述一个或多个信号可以沿任一方向传播并且可以用任何适合类型的信号方案实施。

在整个说明书中和权利要求中，术语“连接”是指被连接的事物之间的直接电连接，而没有任何中间装置。术语“耦合”是指连接的事物之间的直接电连接，或是指通过一个或多个无源或有源中间装置的间接连接。术语“电路”是指一个或多个被布置为相互协作以提供预期功能的无源和/或有源部件。术语“信号”是指至少一个电流信号、电压信号或数据/时钟信号。单数冠词的含义包括复数个引述对象。“在……中”的含义包括“在……中”和“在……上”。

术语“缩放”一般是指使设计(原理图和布局)从一种工艺技术转换到另一种工艺技术。术语“缩放”一般还指在同一技术节点内缩小布局和装置的尺寸。术语“缩放”可以指相对于另一参数(例如，电源电平)调整(例如，放慢)信号频率。术语“大体上”、“接近”、“大约”、“近似”以及“左右”一般是指处于目标值的+/-20％内。

除非另行指出，否则采用“第一”、“第二”、“第三”等顺序形容词描述共同对象仅指示正在提及类似对象的不同实例，而不是暗指所描述的对象必须采用时间上或空间上的给定顺序、排列或者任何其它方式。

出于实施例的目的，晶体管是金属氧化物半导体(MOS)晶体管，其包括漏极、源极、栅极和体端子。晶体管还包括三栅极和鳍式场效应晶体管、栅极全周围圆柱线晶体管、方线晶体管、或矩形条带晶体管或者实现晶体管的功能的其它器件，例如碳纳米管或自旋电子器件。源极和漏极端子可以是等同的端子，并且在文中可互换使用。本领域技术人员将认识到在不背离本公开内容的范围的情况下可以使用其它晶体管，例如，双极结型晶体管——BJT PNP/NPN、BiCMOS、CMOS、eFET等。术语“MN”指示n型晶体管(例如，NMOS、NPN、BJT等)，术语“MP”指示p型晶体管(例如，PMOS、PNP、BJT等)。

由穿过固定铁磁(FM)层的电流产生自旋转矩。该自旋转矩创建了在自由FM层中传播的畴壁，所述自由FM层被形成到区域或互连(即，线)中。然而，畴壁的传播将在某一距离(例如，等于1位加法器的尺寸的距离)之后停止。畴壁在FM层中停止的一个原因是由于阻尼或者线边缘粗糙度“钉扎”。该畴壁传播的停止限制了现有的基于自旋转矩的设计中的能够级联到一起的级的最大数量。基于自旋转矩的转发器将提高畴壁传播的最大距离。畴壁也可以在窄FM层中以振荡运动的方式来回传播，因为在现有的基于自旋转矩的逻辑设计中输入和输出未被隔离，或者因为存在来自FM层的边缘，例如，FM互连的末端的反射。

图1A示出了根据本公开内容的一个实施例用于通过铁磁材料生成畴壁的自动移动的设备100。在一个实施例中，设备100包括耦合至FM互连102的FM层101。这里，FM层101接收输入电流脉冲103，该输入电流脉冲创建了通过互连传播的畴壁。在先前公布的自旋多数决定门的版本中，在DW的形成时间内，在它们从输入传播到输出的时间内，在DW的振荡运动的时间内，并且一直到磁化达到其最终的模式的时间内，电流被接通。在这一实施例中，使用创建DW所需的短电流脉冲。通过图1A中所示的互连以及图2中所示的转发器的设计来避免畴壁的振荡运动。参考图1B示出了输入电流脉冲的一个示例。

图1B示出了根据本公开内容的一个实施例的显示对图1A的设备的电流脉冲响应的曲线图120。应当指出，图1B的那些与任何其它附图中的元件具有相同附图标记(或名称)的元件可以按照与所描述的方式类似的任何方式来工作或起作用，但又不限于此。

这里，x轴是时间，左侧的y轴是畴壁(DW)位置(以nm为单位)，右侧的y轴是施加至FM层101的输入电流的幅度(以GA/m²为单位)。返回参照图1A，在将电流脉冲103(例如，具有小于2ns的脉冲持续时间)施加至FM层101时，DW 104开始沿FM层102传播。随着DW的传播，磁化方向从104变为105。通过曲线图示出了DW在FM层102下方的自动移动。该曲线图示出了在FM层102中发生磁化时的快照。这里，箭头指示磁化在芯片平面上的投影。例如，104对应于与芯片垂直的磁化的投影的“向上”方向，105对应于与芯片垂直的磁化的投影的“向下”方向。

这里，在向FM层101施加小电流脉冲时，磁化104从左向右传播。在一个实施例中，在施加电流脉冲之后，DW靠自己传播而不需要电流将其往前推进。该实施例允许将单向转发器耦合至FM层102，以允许DW传播较长的距离。在一个实施例中，检测DW，并重新生成DW(即，转发)，以传播DW，如图2中进一步描绘的。

返回参照图1A，磁化方向“向上”可以对应于逻辑1，磁化方向“向下”可以对应于逻辑0。在另一实施例中，使用磁化在另一轴上的投影来表明逻辑0和逻辑1。在一个实施例中，使用磁阻(MR)在铁磁层堆叠体内的作用将磁逻辑状态转换为电逻辑值，在图4中将对其做进一步解释。返回参照图1A，在已知的DW器件中，DW传播一小距离，之后被转换为电信号。因此，不会遇到将其它DW逻辑器件级联到互连。本公开内容的实施例中的使用小电流脉冲的DW自动移动允许其它DW器件与互连级联。

表1示出了针对芯片的面内磁化和芯片的面外磁化这两种情况的典型参数的DW自动移动的模拟结果。DW宽度和最大速度由退磁(或者等价地由形状各向异性)以及铁磁线的材料各向异性来确定。图1A所示的直到DW停下为止的最大传播距离另外取决于阻尼系数，这里取α＝0.01。还计算以最大速度跨过400nm互连所用的时间。

M	DW宽度	DW最大传播速度	DW传播距离	互连的延迟
					面内	8nm	670m/s	400nm	0.6ns
面外	23nm	120m/s	1150nm	10ns

表1：DW特性

图2示出了根据本公开内容的一个实施例的磁DW转发器200。应当指出，图2的那些与任何其它附图中的元件具有相同附图标记(或名称)的元件可以按照与所描述的方式类似的任何方式来工作或起作用，但又不限于此。

转发器200包括第一FM(FM1)层、第二FM(FM2)层、第三(FM3)层、第一非磁金属层201、以及第二非磁金属层202和FM接触部。在一个实施例中，FM1、FM2和FM3是自由磁层(即，它们是非钉扎层)。相反，在已知的自旋逻辑器件中，使用一个自由FM层和一个钉扎FM层。在一个实施例中，FM1上的FM接触部提供输入“In”，FM2上的FM接触部提供输出“Out”，FM3上的FM接触部被电源Vdd的偏置。在一个实施例中，FM接触部Vdd大体上置于FM3层的顶部中间。在一个实施例中，FM接触部Vss(地)在FM2的更接近FM3的末端附近耦合至FM2层。

在一个实施例中，FM1层经由第一非磁金属层201耦合至FM3层。在一个实施例中，FM2层经由第二非磁金属层202耦合至FM3层。在一个实施例中，第一非磁金属层由来自元素周期表的铂族的过渡金属构成。例如，来自元素周期表的铂族的过渡金属为Ru。在一个实施例中，第二非磁金属层202由Cu构成。在一个实施例中，Ru层201形成有0.85nm的厚度。这一厚度促进层FM1和FM3中的电子之间的量子交换耦合，所述量子交换耦合有利于所述层中的磁化的反平行对准。在其它实施例中，层201是Cu、Ta、Pd或Pt之一，并且被形成有其它厚度。在一个实施例中，通过被填充有绝缘氧化物的缝隙(例如，5nm到10nm)将第一非磁金属层201与非磁金属层202分隔开。在一个实施例中，第一非磁金属层201毗邻(即，没有缝隙)非磁金属层202。在一个实施例中，FM3层比第一和第二磁层的厚度更厚，其中，“t3”是FM3层的厚度，“t1”是FM1层的厚度，“t2”是FM2层的厚度。在一个实施例中，“t1”大体上等于“t2”。

在该实施例中，从FM1层的底部的左侧抵达的磁化对FM3层的磁化方向进行切换，以使FM1层的磁化方向与FM3层的磁化方向相反。该磁化方向的差异是由交换耦合的作用来确定的。在一个实施例中，FM1是图1的互连102，其使DW从左至右传播。返回参照图2，FM3层和FM1层经由交换耦合而耦合。交换耦合确保FM3和FM1的磁化方向彼此反平行。来自FM1的DW在短时间(例如，1ns)内对FM3磁化方向进行切换。在一个实施例中，FM1、FM2和FM3层保持计算变量。

在一个实施例中，耦合至FM3和FM2层的Vdd和Vss电极分别引起电流的流动(从Vdd到Vss)，该电流流动在FM2层中创建自旋转矩，以将FM2的磁化方向切换为与FM3的磁化方向相反。这里，由于与FM2相比，层FM3的厚度较大或者层FM3中的磁化较高，层FM3中的自旋转矩不对其磁化进行切换。结果，FM1和FM2的磁化方向是相同的，这创建了转发器(或者缓冲器/非反相)逻辑功能。这里，磁化的方向处于具有转发器200的芯片的平面内。

在该实施例中，磁化信号的方向仅为从左至右，即，从FM1到FM2。磁化信号的单一方向的原因在于，从vdd通过FM3层再通过FM2层抵达Vss的路径的电阻比从Vdd通过FM1层抵达任何其它处于偏压Vss的接触部的路径的电阻小得多。因此，从Vdd到FM1层的电流比从Vdd到FM2层的电流小得多，并且不足以产生磁化切换。第一非磁层201(例如，Ru)的电阻率比第二非磁层202(例如，Cu)的电阻率高(例如，5倍)，这将沿一个方向引导电流路径，即，单向自旋转矩解决了缺少I/O隔离的问题。

图3示出了根据本公开内容的一个实施例的磁DW反相器300。应当指出，图3的那些与任何其它附图中的元件具有相同附图标记(或名称)的元件可以按照与所描述的方式类似的任何方式工作或起作用，但又不限于此。为了不使图3的实施例难以理解，讨论了转发器200与反相器300之间的差异。

在一个实施例中，用负电源(即，-Vdd)替代正电源接触部。在该实施例中，电流从Vss流至-Vdd，与转发器200的FM2层中的自旋转矩的方向相比，这改变了FM2层中的自旋转矩的方向。结果，FM1的磁化方向与FM2的磁化方向相反，以实现反相器的功能。

与转发器200中类似，在该实施例中，磁化信号的方向仅为从左至右，即，从FM1到FM2。磁化信号的单一方向的原因在于，从Vss通过FM2层再通过FM3层抵达-Vdd的路径的电阻比从-Vdd通过FM1层抵达任何其它处于偏压Vss的接触部的路径的电阻小得多，即，从-Vdd到FM1层的电流比从Vss到FM3层的电流小得多，并且不足以产生磁化切换。

图4示出了根据本公开内容的一个实施例的具有用以提供输出的磁隧道结器件(MTJ)的磁DW转发器400。应当指出，图4的那些与任何其它附图中的元件具有相同附图标记(或名称)的元件可以按照与所描述的方式类似的任何方式工作或起作用，但又不限于此。为了不使图4的实施例难以理解，讨论了转发器200与转发器400之间的差异。

在一个实施例中，转发器400包括与转发器200相同的结构，只是具有形成在FM3层顶部的MTJ，该MTJ使用FM3层作为MTJ器件的自由层。在一个实施例中，通过MgO层将MTJ的固定层FM4与FM3层分隔开。在一个实施例中，固定层FM4耦合在输出端口处以读取数据。在FM3层中的磁化的方向上对计算变量编码：例如“右”对应于逻辑1，“左”对应于逻辑零。这又分别对应于FM3层和FM4层中的磁化的反平行对准和平行对准。由于磁阻的作用，这些对准将分别导致从Vss到Vdd的路径的较高电阻值和较低电阻值。这些电阻的差异导致了从Vdd到Vss的不同的电流。在一个实施例中，该电流传送至感测放大器(未示出)的输入，继而被转换为电信号。在一个实施例中，固定层FM4仅耦合在输出端口处，以读取数据。这里，去除了图2中的输出端口“Out”。在一个实施例中，Vdd接触部形成在FM4层的顶部。在一个实施例中，用-Vdd接触部代替Vdd接触部，以将转发器的功能转换为反相器。在一个实施例中，MTJ中的诸如MgO等隧穿势垒的存在确保了用于读取操作的高磁阻。

图5示出了根据本公开内容的一个实施例的级联磁DW门500。应当指出，图5的那些与任何其它附图中的元件具有相同附图标记(或名称)的元件可以按照与所描述的方式类似的任何方式工作或起作用，但又不限于此。

与未将输入和输出隔离的现有技术自旋转矩门相比，实施例提供了单向自旋转矩。根据一个实施例，单向自旋转矩允许对多个磁畴壁门进行级联。在一个实施例中，可以使转发器200与另一转发器和/或反相器等级联。通过级联门500对一个这样的实施例进行举例说明。

在该实施例中，第一磁DW器件包括：自由FM1a层、自由FM2a层和自由FM3a层以及非磁金属层201a和202a。在一个实施例中，第二磁DW器件包括：自由FM1b层、自由FM2b层和自由FM3b层以及非磁金属层201b和202b。FM层FM1a/b、FM2a/b、FM3a/b以及非磁层201a/b和202a/b的属性分别与图2的FM层FM1、FM2和FM3以及图2的非磁层201和202的属性类似。

返回参照图5，在一个实施例中，FM1a层经由非磁金属层201a耦合至FM3a层。在一个实施例中，FM2a层经由非磁金属层202a耦合至FM3a层。在一个实施例中，FM1b层经由非磁金属层201b耦合至FM3b层。在一个实施例中，FM2a层经由非磁金属层202b耦合至FM3a层。在该实施例中，FM2a层和FM1b层相互融合，以使第一磁DW器件与第二磁DW器件级联。

在该实施例中，磁化信号仅在一个方向(即，从左至右)上传播，因为从Vdd2到Vss1的路径的电阻比从Vdd2到Vss2的路径的电阻高得多。这里，Vdd1和Vdd2被连结至Vdd，而Vss1和Vss2被连结至Vss。在这样的实施例中，高电阻路径中的对应电流比低电阻路径中的电流小，并且不足以产生磁切换。

图6A示出了根据本公开内容的一个实施例的处于环形拓扑结构的自旋转矩多数决定磁DW门600的顶视图。应当指出，图6A的那些与任何其它附图中的元件具有相同附图标记(或名称)的元件可以按照与所描述的方式类似的任何方式工作或起作用，但又不限于此。

在一个实施例中，多数决定门600包括：分别提供输入In1、In2和In4的三个输入第一FM层FM1a、FM1b和FM1d；输出FM第二层FM2c；共享的第二FM层FM2；以及四个第三FM层FM3a、FM3b、FM3c和FM3d。FM层FM1a/b/d、FM2、FM2c、FM3a/b/c/d、FM4a/b/c/d以及非磁层201a/b/c/d和202a/b/c/d的属性分别与图2的FM层FM1、FM2和FM3以及图2的非磁层201和202的属性类似。

返回参照图6A，在一个实施例中，FM3a经由第二非磁金属层(例如，Cu)202a(未示出)耦合至FM2；并且FM3a经由第一非磁金属层(例如，Ru)201a(未示出)耦合至FM1a。在一个实施例中，FM3b经由第二非磁金属层(例如，Cu)202b(未示出)耦合至FM2；并且FM3b经由第一非磁金属层(例如，Ru)201b(未示出)耦合至FM1b。FM3d经由第二非磁金属层(例如，Cu)202d(未示出)耦合至FM2；并且FM3d经由第一非磁金属层(例如，Ru)201d(未示出)耦合至FM1d。在一个实施例中，与输入分支不同地耦合输出分支。在一个实施例中，FM3c经由第一非磁金属层(例如，Ru)201c(未示出)耦合至FM2；并且FM3c经由第二非磁金属层(例如，Cu)202c(未示出)耦合至FM2c。

在一个实施例中，FM2层具有圆环形状。在一个实施例中，FM2层可以具有其它形状，只要其形成了环即可。在一个实施例中，FM2层起着合并器的作用，使得对来自FM3a、FM3b和FM3d的磁信号进行合并，以生成表示大多数的磁信号，接下来在FM2c上检测到所述磁信号。在一个实施例中，FM3a和FM3c大体上相互平行。在一个实施例中，FM3b和FM3d大体上相互平行，使得FM3b和FM3d大体上与FM3a和FM3c层垂直。在一个实施例中，FM3a、FM3b和FM3d层向FM2提供各自的自旋转矩。在一个实施例中，FM2c层根据FM1a、FM1b和FM1d层中的各自的自旋方向而提供指示逻辑功能的输出。

在一个实施例中，多数决定门600执行对芯片的平面内的三个磁化向量的合并。在一个实施例中，使FM2呈环形，以使进入的FM线(来自FM1a、FM1b和FM1d)具有在FM2的环的切线方向上的磁化。在一个实施例中，输入线与FM2的环的重叠区域处的自旋转矩促使磁化要么是顺时针方向，要么是逆时针方向，即，环FM2的两种逻辑状态。在这样的实施例中，输入的大多数进行合并，以对FM2中的对应磁化方向进行设定。在该实施例中，输出“Out”的磁化是由其下的环FM2的磁化设定的。在一个实施例中，使用作为自由FM层的FM3c、跟着MgO层和固定磁层FM4来形成MTJ。

图6B示出了根据本公开内容的一个实施例的处于环形拓扑结构的自旋转矩多数决定门600的多维视图620。应当指出，图6B的那些与任何其它附图中的元件具有相同附图标记(或名称)的元件可以按照与所描述的方式类似的任何方式工作或起作用，但又不限于此。

图7示出了根据本公开内容的一个实施例的在处于环形拓扑结构的自旋转矩多数决定磁DW门中的磁方向700随着时间的推移的模拟结果。应当指出，图7的那些与任何其它附图中的元件具有相同附图标记(或名称)的元件可以按照与所描述的方式类似的任何方式工作或起作用，但又不限于此。在所述模拟中，例如，外环直径取120nm，FM层的厚度取2nm，磁化Ms＝1MA/m，阻尼系数α＝0.01。使2.2mA的电流通过每一输入1ns，之后被关断。参考图6A-B，将FM3a和FM3b中的磁化建模为朝向所述环，并且将FM3c中的磁化建模为背离所述环。

这里，示出了图6A-B的FM2中的磁方向随着时间的推移(每0.1ns)的20幅快照。快照从沿着列A到E的行A推进，然后向下到达沿着列A到E的行D。在快照AA(左上角)中示出了在接收到输入In1、In2和In3时FM2中的磁方向的初始状况，在快照DE(右下角)中示出了FM2中的磁方向的最终平衡状态。最初，磁化在环内指向顺时针方向。来自输入FM3a和FM3b中的自旋转矩工作以将磁化切换至相反方向，而来自输入FM3c的转矩工作以保持初始磁化方向。FM3c经由第一非磁金属层(例如，Ru)201c(未示出)耦合至FM2；并且FM3c经由第二非磁金属层(例如，Cu)202c(未示出)耦合至FM2c。这里，对于输出，FM按照与图2中的FM1类似的方式运转，因而FM借助于交换耦合(借助于Ru非磁金属)而非自旋转矩来耦合至FM3c。FM3c使用自旋转矩将FM3c磁化转移至FM2c(即，FM3c与FM2c之间的Cu)。磁化最初在前两个输入下发生切换，之后在整个环内变为指向逆时针方向。

图8A示出了根据本公开内容的一个实施例的处于环形拓扑结构中的扇出为三的自旋转矩磁畴壁门的顶视图800。应当指出，图8A的那些与任何其它附图中的元件具有相同附图标记(或名称)的元件可以按照与所描述的方式类似的任何方式工作或起作用，但又不限于此。

在一个实施例中，多数决定门800包括：分别提供输出Out1、Out2和Out3的三个输出第二FM层FM2a、FM2b和FM2c；输入FM第一层FM1d；共享的第二FM层FM2；以及四个第三FM层FM3a、FM3b、FM3c和FM3d。FM层FM1/d、FM2a/b/c、FM3a/b/c/d、FM4a/b/c/d以及非磁层201a/b/c/d和202a/b/c/d(未示出)的属性分别与图2的FM层FM1、FM2和FM3以及图2的非磁层201和202的属性类似。

返回参照图8A，在一个实施例中，FM3a经由第一非磁金属层(例如，Ru)201a(未示出)耦合至FM2；并且FM3a经由第二非磁金属层(例如，Cu)202a(未示出)耦合至FM2a。在一个实施例中，FM3b经由第一非磁金属层(例如，Ru)201b(未示出)耦合至FM2；并且FM3b经由第二非磁金属层(例如，Cu)202b(未示出)耦合至FM2b。FM3c经由第一非磁金属层(例如，Ru)201d(未示出)耦合至FM2；并且FM3c经由第二非磁金属层(例如，Cu)202c(未示出)耦合至FM2c。在一个实施例中，与输出分支不同地耦合输入分支。在一个实施例中，FM3d经由第二非磁金属层(例如，Cu)202d(未示出)耦合至FM2；并且FM3d经由第一非磁金属层(例如，Ru)202d(未示出)耦合至FM1d。

在一个实施例中，FM2层的形状是圆形。在一个实施例中，FM2层可以具有其它形状，只要其形成了用以耦合输出FM层和输入FM层的环即可。在一个实施例中，FM2层起着扇出转发器的作用，使得来自FM3d的磁信号被扇出至FM3a、FM3b和FM3c。在一个实施例中，FM3a和FM3c彼此大体上平行。在一个实施例中，FM3b和FM3d彼此大体上平行，使得FM3b和FM3d大体上与FM3a和FM3c层垂直。在一个实施例中，FM1d层经由交换耦合向FM3d提供输入，FM3d向FM2提供自旋转矩。在一个实施例中，FM1a/b/c层提供各自的输出的该输出指示与FM1d上的输入自旋转矩相同的磁方向。

在一个实施例中，多数决定门600执行芯片的平面内的一个输入磁化向量的扇出。在一个实施例中，使FM2呈环形，使得进入的FM1d线具有在FM2的环的切线方向上的磁化。在一个实施例中，输入线的FM3d与FM2的环的重叠区域处的自旋转矩促使磁化要么是顺时针方向，要么是逆时针方向，即，环FM2的两种逻辑状态。在该实施例中，输出Out1、Out2和Out3的磁化是由其下的环FM2的磁化设定的。

在一个实施例中，仅在输出上形成MTJ。在一个实施例中，使用作为自由FM层的FM3a、跟着MgO层和固定磁层FM4a来形成MTJ1。在一个实施例中，使用作为自由FM层的FM3b、跟着MgO层和固定磁层FM4b来形成MTJ2。在一个实施例中，使用作为自由FM层的FM3c、跟着MgO层和固定磁层FM4c来形成MTJ3。

图8B示出了根据本公开内容的一个实施例的图8A的处于环形拓扑结构的扇出为三的自旋转矩磁畴壁门的多向图820。应当指出，图8A的那些与任何其它附图中的元件具有相同附图标记(或名称)的元件可以按照与所描述的方式类似的任何方式工作或起作用，但又不限于此。

图9示出了根据本公开内容的一个实施例的在扇出为三的自旋转矩磁DW门中的磁方向900随着时间的推移的模拟结果。所述模拟使用与参考图7描述的那些参数相同的参数。应当指出，图9的那些与任何其它附图中的元件具有相同附图标记(或名称)的元件可以按照与所描述的方式类似的任何方式工作或起作用，但又不限于此。

这里，示出了图8A-B的FM2中的磁方向随着时间的推移(每0.1ns)的20幅快照。快照从沿着列A到E的行A推进，然后向下到达沿着列A到E的行D。在快照AA(左上角)中示出了在接收到输入In1时FM2中的磁方向的初始状况，在快照DE(右下角)中示出了FM2中的磁方向的最终平衡状态。最初，磁化在环中指向顺时针方向。来自输入FM3d的自旋转矩工作以将磁化切换至相反方向。磁化在整个环内，包括在所有的三个输出下指向逆时针方向。

图10示出了根据本公开内容的一个实施例的使用处于环形拓扑结构的自旋转矩多数决定磁畴壁门的1位加法器1000。应当指出，图10的那些与任何其它附图中的元件具有相同附图标记(或名称)的元件可以按照与所描述的方式类似的任何方式工作或起作用，但又不限于此。

在一个实施例中，如图6A-6B描述的处于环形拓扑结构的自旋转矩多数决定磁DW门被耦合到一起，以形成1位加法器。这里，如图所示，自旋转矩多数决定磁DW门的三个级被级联到一起。在一个实施例中，输入“A”和“B”是被接收并被加到一起的两个数字的位。这里，“C”是进位，并且“X”是中间运算的结果。如图3所示，对于下一级而言，通过使用反相器将“X”变为“-X”。在一个实施例中，在输出“Sum”处形成MTJ器件，假设进位为“C”，那么“Sum”是将输入“A”和“B”相加的结果。其相当于对“A”、“B”和“C”的多数决定运算。由于将线内的“向前”磁化方向计为逻辑1，并且将线内的“向后”磁化方向计为逻辑0，因而剩下的多数决定门的输出中的磁化方向对应于“-Sum”。

图11是根据本公开内容的一个实施例的具有磁DW逻辑器件和互连的智能装置或计算机系统或SoC(片上系统)。图11是根据本公开内容的一个实施例的具有带隙参考架构的智能装置或计算机系统或SoC(片上系统)。应当指出，图11的那些与任何其它附图中的元件具有相同附图标记(或名称)的元件可以按照与所描述的方式类似的任何方式工作或起作用，但又不限于此。

图11示出了能够使用平面接口连接器的移动装置的实施例的方框图。在一个实施例中，计算装置1600表示移动计算装置，例如计算平板电脑、移动电话或智能电话、能够进行无线操作的电子阅读器或者其它无线移动装置。应当理解，只是大致示出了某些部件，并未在计算装置1600中示出这样的装置的所有部件。

在一个实施例中，计算装置1600包括具有参考实施例描述的磁DW逻辑器件和互连的第一处理器1610。计算装置1600的其它块也可以包括具有参考实施例描述的磁DW逻辑器件和互连的设备。本公开内容的各种实施例还可以在1670内包括诸如无线接口的网络接口，使得可以将系统实施例结合到例如蜂窝电话或个人数字助理或可穿戴装置的无线装置内。

在一个实施例中，处理器1610(和/或处理器1690)可以包括一个或多个物理装置，例如微处理器、应用处理器、微控制器、可编程逻辑装置或其它处理模块。处理器1690可以是任选的。尽管实施例示出了两个处理器，但是可以使用单个或者两个以上处理器。处理器1610执行的处理操作包括可以在其上运行应用和/或装置功能的操作平台或操作系统的运行。处理操作包括与和人类用户或者和其它装置的I/O(输入/输出)相关的操作、与功率管理相关的操作、和/或与将计算机装置1600连接至另一装置相关的操作。处理操作还可以包括与音频I/O和/或与显示I/O相关的操作。

在一个实施例中，计算装置1600包括音频子系统1620，其表示与向计算装置提供音频功能相关联的硬件(例如，音频硬件和音频电路)和软件(例如，驱动程序、编码译码器)部件。音频功能可以包括扬声器和/或耳机输出以及麦克风输入。可以将用于这样的功能的装置集成到计算装置1600内，或者将其连接至计算装置1600。在一个实施例中，用户通过提供由处理器1610接收并处理的音频命令而与计算装置1600交互。

显示子系统1630表示为用户提供可视和/或触感显示以与计算装置1600交互的硬件(例如，显示装置)和软件(例如，驱动程序)部件。显示子系统1630包括显示接口1632，其包括用于向用户提供显示的特定屏幕或硬件装置。在一个实施例中，显示接口1632包括与处理器1610分开的逻辑以执行至少一些与显示相关的处理。在一个实施例中，显示子系统1630包括为用户提供输出和输入二者的触摸屏(或者触控板)装置。

I/O控制器1640表示与和用户的交互相关联的硬件装置和软件部件。I/O控制器1640可操作用于管理作为音频子系统1620和/或显示子系统1630的部分的硬件。此外，I/O控制器1640示出了用于连接至计算装置1600的额外装置的连接点，用户可以通过该额外装置与系统交互。例如，能够附接至计算装置1600的装置可以包括麦克风装置、扬声器或者立体声系统、视频系统或者其它显示装置、键盘或小键盘装置或者供读卡机或其它装置等特定应用使用的其它I/O装置。

如上所述，I/O控制器1640可以与音频子系统1620和/或显示子系统1630交互。例如，通过麦克风或其它音频装置的输入能够为计算装置1600的一个或多个应用或功能提供输入或命令。此外，能够代替显示输出或者除显示输出之外提供音频输出。在另一示例中，如果显示子系统1630包括触摸屏，那么显示装置还充当输入装置，该装置可以至少部分地由I/O控制器1640管理。在计算装置1600上还可以有额外的按钮或开关，以提供由到I/O控制器1640管理的I/O功能。

在一个实施例中，I/O控制器1640管理诸如加速度计、照相机、光传感器或其它环境传感器、或者能够包含到计算装置1600中的其它硬件的装置。所述输入可以是直接用户交互的部分，也可以是向系统提供环境输入以影响其操作(例如，对噪声的过滤、调整显示器以进行亮度检测、为照相机施加闪光灯或者其它特征)。

在一个实施例中，计算装置1600包括电源管理1650，其管理电池电源使用、电池充电以及与节能操作相关的特征。存储器子系统1660包括用于存储计算装置1600内的信息的存储器装置。存储器可以包括非易失性(如果对存储器装置的供电中断那么状态不发生变化)和/或易失性(如果对存储器装置的供电中断那么状态不确定)存储器装置。存储器子系统1660可以存储应用数据、用户数据、音乐、照片、文档或其它数据以及与计算装置1600的应用和功能的运行相关的系统数据(不管是长期的还是暂时的)。

也可以将实施例的元件提供为用于存储计算机可执行指令(例如，实施文中讨论的任何其它过程的指令)的机器可读介质(例如，存储器1660)。机器可读介质(例如，存储器1660)可以包括但不限于闪速存储器、光盘、CD-ROM、DVD ROM、RAM、EPROM、EEPROM、磁或光卡、相变存储器(PCM)或者适于存储电子或计算机可执行指令的其它类型的机器可读介质。例如，可以将本公开的实施例作为计算机程序(例如，BIOS)进行下载，可以经由通信链路(例如，调制调解器或网络连接)通过数据信号将该计算机程序从远程计算机(例如，服务器)转移至请求计算机(例如，客户端)。

连接1670包括能够使计算装置1600与外部装置通信的硬件装置(例如，无线和/或有线连接器和通信硬件)和软件部件(例如，驱动程序、协议组)。计算装置1600可以是单独的装置，例如，其它计算装置、无线接入点或基站以及外围装置，例如，耳机、打印机或其它装置。

连接1670可以包括多种不同类型的连接。概括来说，计算装置1600被示为具有蜂窝连接1672和无线连接1674。蜂窝连接1672大体是指通过无线载波提供的蜂窝网络连接，例如经由GSM(全球移动通信系统)或其变型或衍生品、CDMA(码分多址)或其变型或衍生品、TDM(时分多路复用)或其变型或衍生品、或者其它蜂窝服务标准所提供的蜂窝网络连接。无线连接(或无线接口)1674是指非蜂窝的无线连接，并且可以包括个人区域网(例如蓝牙、近场等)、局域网(例如Wi-Fi)和/或广域网(例如WiMax)或者其它无线通信。

外围连接1680包括用于实施外围连接的硬件接口和连接器以及软件部件(例如，驱动程序、协议组)。应当理解，计算装置1600既可以是到其它计算装置的外围设备(“到”1682)，也可以具有与之连接的外围装置(“来自”1684)。计算装置1600通常具有连接至其它计算装置的“对接”连接器，从而实现诸如对计算机装置1600上的内容进行管理(例如，下载和/或上载、改变、同步)的目的。此外，对接连接器能够允许计算装置1600连接至某些外围装置，从而允许计算装置1600控制输出至例如视听系统或其它系统的内容。

除了专有对接连接器或其它专有连接硬件之外，计算装置1600还能够经由公共的或者基于标准的连接器实施外围连接1680。常见类型可以包括通用串行总线(USB)连接器(其可以包括很多不同硬件接口中的任何一种)、包括迷你显示端口(MDP)的显示端口、高清晰度多媒体接口(HDMI)、火线或其它类型。

在说明书中提到“实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”或“其它实施例”是指在至少一些实施例中但未必在所有实施例中包括结合实施例所描述的特定特征、结构或特性。“实施例”、“一个实施例”或“一些实施例”的各种形式的出现未必全部是指相同的实施例。如果说明书陈述“可以”、“或许”或“可能”包括部件、特征、结构或特性，则不要求包括该特定部件、特征、结构或特性。如果说明书或权利要求以单数冠词提及元件，那么其不表示只有一个元件。如果说明书或权利要求提到“额外的”元件，那么其不排除有不只一个额外元件。

此外，可以在一个或更多实施例中通过任何适当的方式结合特定特征、结构、功能或特点。例如，只要是在与第一和第二实施例相关联的特定特征、结构、功能或特性不相互排斥的地方，就可以使这两个实施例相结合。

尽管已经结合本公开的具体实施例描述了本公开内容，然而考虑到上述说明，本领域技术人员显然可以认识到这样的实施例的很多替代方案、修改和变化。例如，例如动态RAM(DRAM)的其它存储器架构也可以使用所讨论的实施例。本公开内容的实施例旨在涵盖所有这样的替代方案、修改和变化，以便落在所附权利要求的广延范围内。

此外，在所给出的附图内可以或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接，以简化图示和讨论，并且不使本公开内容难以理解。此外，布置可能是按照方框图的形式示出的，以便避免使本公开内容难以理解，而且还鉴于这样的事实，即关于这样的方框图布置的实施方式的细节高度依赖于要实施本公开内容的平台(即，这样的细节应当完全处于本领域技术人员的能力范围内)。在为了描述本公开内容的示范性实施例而阐述了细节(例如，电路)的地方，对本领域技术人员显而易见的是，可以在无需这些细节或者可以在这些细节有变化的情况下实践本公开内容。因而，应当将说明书视为是示范性的，而非限制性的。

下面的示例属于其它实施例。可以在一个或多个中的任何地方使用示例中的细节。可以关于方法或过程来实施文中描述的设备的所有任选特征。

例如，提供了一种设备，其包括：第一、第二和第三自由磁层；耦合至第一和第三自由磁层的由第一材料构成的第一金属层；以及由不同于第一材料的第二材料构成的第二金属层，所述第二金属层耦合至第二和第三自由磁层。在一个实施例中，所述设备还包括耦合至第三自由磁层的电源接触部。在一个实施例中，所述设备还包括耦合至第二自由磁层的接地接触部。

在一个实施例中，电源接触部耦合至正电源，以实现转发器的功能。在一个实施例中，电源接触部耦合至负电源，以实现反相器的功能。在一个实施例中，第一金属层形成了输入，并且其中，第二金属层形成了输出。在一个实施例中，第一金属层耦合至逻辑单元，以提供使畴壁通过第一金属层传播的电流脉冲。

在一个实施例中，第一金属层由来自元素周期表的铂族的过渡金属构成。在一个实施例中，来自元素周期表的铂族的过渡金属为Ru。在一个实施例中，第二金属层由Cu构成。在一个实施例中，第三自由磁层的厚度比第一和第二磁层的厚度更厚。在一个实施例中，使第一和第二金属层相互去耦。在一个实施例中，所述设备还包括耦合至第一或第二自由磁层的畴壁器件。

在另一示例中，提供了一种自旋转矩多数决定门器件，其包括：被配置成环形的自由磁层；以及耦合至该自由磁层的第一、第二、第三和第四自由磁层。在一个实施例中，第一和第三自由磁层大体上相互平行。在一个实施例中，第二和第四自由磁层大体上相互平行，以使第二和第四自由磁层大体上垂直于第一和第三自由磁层。在一个实施例中，第一、第二和第四自由磁层用以向自由磁层提供各自的自旋转矩，并且其中，第三自由磁层用以根据第一、第二和第四自由磁层内的各自的自旋方向而提供指示逻辑功能的输出。

在一个实施例中，第一自由磁层用以向自由磁层提供自旋转矩，并且其中，第二、第三和第四自由磁层用以根据第一自由磁层内的自旋方向提供各自的输出。在一个实施例中，第一、第二、第三和第四自由磁层中的每者包括根据上文讨论的设备的设备。在一个实施例中，被配置为环行的自由磁层经由各自的第二金属层耦合至第一、第二、第三和第四自由磁层。

在另一示例中，提供了一种系统，其包括：存储器；耦合至存储器的处理器，所述处理器具有根据上文讨论的设备的设备；以及允许处理器耦合至另一装置的无线接口。在一个实施例中，所述系统还包括显示单元。在一个实施例中，所述显示单元是触摸屏。

提供了允许读者确定本技术公开内容的本质和主旨的摘要。在理解了摘要不用于限制权利要求的范围或含义的情况下提交摘要。由此将所附权利要求并入具体实施方式，并且每个权利要求依靠其自身作为独立的实施例。

Claims

1.一种磁畴壁逻辑器件，包括：

第一自由磁层、第二自由磁层和第三自由磁层；

由第一材料构成的第一金属层，其耦合至所述第一自由磁层和所述第三自由磁层；以及

由不同于所述第一材料的第二材料构成的第二金属层，所述第二金属层耦合至所述第二自由磁层和所述第三自由磁层。

2.根据权利要求1所述的磁畴壁逻辑器件，还包括耦合至所述第三自由磁层的电源接触部。

3.根据权利要求2所述的磁畴壁逻辑器件，还包括耦合至所述第二自由磁层的接地接触部。

4.根据权利要求3所述的磁畴壁逻辑器件，其中，所述电源接触部耦合至正电源，以实现转发器的功能，或者其中，所述电源接触部耦合至负电源，以实现反相器的功能。

5.根据权利要求2所述的磁畴壁逻辑器件，其中，所述第一金属层形成输入，并且其中，所述第二金属层形成输出。

6.根据权利要求2所述的磁畴壁逻辑器件，其中，所述第一金属层耦合至逻辑单元，以提供使畴壁通过所述第一金属层传播的电流脉冲。

7.根据权利要求1所述的磁畴壁逻辑器件，其中，所述第一金属层由来自元素周期表的铂族的过渡金属构成。

8.根据权利要求7所述的磁畴壁逻辑器件，其中，所述来自元素周期表的铂族的过渡金属为Ru。

9.根据权利要求1所述的磁畴壁逻辑器件，其中，所述第二金属层由Cu构成。

10.根据权利要求1所述的磁畴壁逻辑器件，其中，所述第三自由磁层的厚度比所述第一自由磁层和所述第二自由磁层的厚度更厚。

11.根据权利要求1所述的磁畴壁逻辑器件，其中，使所述第一金属层和所述第二金属层相互去耦。

12.根据权利要求1所述的磁畴壁逻辑器件，还包括耦合至所述第一自由磁层或所述第二自由磁层的畴壁器件。

13.一种计算系统，包括：

存储器；

耦合至所述存储器的处理器，所述处理器具有根据权利要求1到12中的任一项所述的磁畴壁逻辑器件；以及

用于允许所述处理器耦合至另一装置的无线接口。