CN112035390A - 数据传输装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种数据传输装置，应用于信息技术领域，包括：信号转换模块和信号传输模块；所述信号转换模块，用于在数据发射端，将包含数据信息的电信号转换为磁振子信号；所述信号传输模块，用于传输包含所述数据信息的磁振子信号给数据接收端；所述信号转换模块，还用于在数据接收端，将包含所述数据信息的磁振子信号转换为包含所述数据信息的电信号。本申请还公开了一种数据传输方法，利用磁振子信号进行数据传输，在数据传输的过程中无需任何电压或电流。
Description
技术领域
本申请涉及信息技术领域，尤其涉及一种数据传输装置及方法。
背景技术
在目前的处理器构架中，中央处理器(CPU)通常由逻辑部分和数据存储两部分组成，并通过金属互连线实现数据交换，其数据传输方式为电压脉冲。为了满足特定频率的数据传输，这些金属互连线电阻、层数和数据传输所施加的电压必须满足特定要求，造成数据传输的效率低下，功耗较高等问题。特别是在目前人工智能、大数据处理芯片领域，逻辑部分和存储部分需要大量的数据交换，这种基于金属互相线的数据传输方式已无法满足这种高速数据处理的需求，即存在数据“存储墙”(memory wall)的问题。另一方面，为了提高处理器于外围存储器或控制器之间数据传输的带宽，芯片的引脚数目、PCB版布线和封装等都面临着重要挑战。此外，这种越来越复杂的数据传输方式也会带来可靠性、数据传输功耗以及成本等方面的问题。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种数据传输装置及方法，旨在解决现有技术中集成电路中逻辑部分和存储部分以及不同芯片之间的数据传输所面临的金属互连线较为复杂、带宽有限和功耗较大等问题。
为实现上述目的，本申请实施例第一方面提供一种数据传输装置，其特征在于，包括：信号转换模块和信号传输模块；
所述信号转换模块，用于在数据发射端，将包含数据信息的电信号转换为包含所述数据信息的磁振子信号；
所述信号传输模块，用于传输包含所述数据信息的磁振子信号给数据接收端；
所述信号转换模块，还用于在数据接收端，将包含所述数据信息的磁振子信号转换为包含所述数据信息的电信号。
可选的，所述信号转换模块具有自旋与电荷相互转换的功能；
所述信号转换模块包含具有自旋霍尔效应、Rashba效应或自旋转移矩效应的材料或结构。
可选的，所述信号传输模块的材料包括铁磁性材料或反铁磁性材料。
可选的，所述铁磁性材料为包含铁、钴、镍中至少一种金属元素的磁性合金、多层异质结或磁性绝缘体。
可选的，所述反铁磁性材料为包含铁、钴、镍、锰、铬中至少一种金属元素的反铁磁性合金、多层异质结或反磁性绝缘体。
可选的，所述铁磁性材料具有垂直磁各向异性或面内磁各向异性。
可选的，所述反铁磁材料的聂耳矢量与磁振子的传输方向可以成任意角度。
可选的，所述信号转换模块设置于待进行数据传输的功能模块内，并与所述功能模块电连接。
可选的，所述待进行数据传输的功能模块与信号传输模块相接触，以在所述信号传输模块上传输包含有待传输数据信息的磁振子信号。
本申请实施例第二方面提供一种数据传输方法，包括：
利用信号转换模块，在数据发射端，将包含数据信息的电信号转换为包含所述数据信息的磁振子信号；
利用信号传输模块，传输包含所述数据信息的磁振子信号给数据接收端；
利用所述信号转换模块，在数据接收端，将包含所述数据信息的磁振子信号转换为包含所述数据信息的电信号。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一实施例提供的数据传输装置的结构示意图；
图2为本申请一实施例提供的片上数据传输芯片的结构示意图；
图3为本申请一实施例提供的对数据传输模块进行电子束曝光和离子刻蚀后的结构示意图；
图4为本申请一实施例提供的溅射Pt层的示意图；
图5为本申请一实施例提供的测试结构的示意图；
图6为本申请一实施例提供的基于测试结构的写入电压和探测电压之间的关系图；
图7为本申请一实施例提供的10纳秒写入电压脉冲序列和探测脉冲序列的关系图；
图8为本申请一实施例提供的数据传输方法的流程示意图。
具体实施方式
为使得本申请的申请目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参阅图1，图1为本申请一实施例提供的数据传输装置的结构示意图，该数据传输装置包括：信号转换模块和信号传输模块；所述信号转换模块，用于在数据发射端，将包含数据信息的电信号转换为包含所述数据信息的磁振子信号；所述信号传输模块，用于传输包含所述数据信息的磁振子信号给数据接收端；所述信号转换模块，还用于在数据接收端，将包含所述数据信息的磁振子信号转换为包含所述数据信息的电信号。
其中，上述数据发射端的信号转换模块与数据接收端的信号转换模块可以为同一信号转换模块，或者，为不同的信号转换模块。
可理解的，信号转换模块可用于实现电信号和磁振子信号之间的相互转换，其具有自旋电荷转换功能。同一信号转换模块可以同时进行数据的发射和数据的接收，也即可以同时实现将电信号转换为磁振子信号，以及将磁振子信号转换电信号。当然，也可以不同时的进行数据的发射和数据的接收。本公开对此不做限制。
可理解的，可用于传输磁振子信号的信号传输模块的材料为磁性材料。其中，磁振子类似于光子，它可以在磁性材料(信号传输模块)中通过一定的特征模传播，通过调频和调幅进行数据编码。由于不同频率的磁振子可以在磁性材料(信号传输模块)中独立传播，互不干扰，因此，不同频带的磁振子信号可以同时在同一信号传输模块中同时传播，可以极大提高数据的传输容量。
在本实施例中，相比于基于光信号的数据传输装置(包括光源和光波探测器等等)，本公开利用磁振子信号进行数据传输，磁振子信号的发射和接收不需要复杂的光源和光波探测器，仅需要可以将电信号和磁振子信号相互进行转换的信号转换模块即可，因此可有利于集成到大规模集成电路中。同时，与目前的基于金属互连线的数据传输装置相比，磁振子信号可以无需任何电压或电流即可在磁性材料中不定向传播，信号传输模块的所有区域均能接收和发送数据，因此信号传输模块无需微加工成特定形状或通道，极大降低了功耗和数据传输装置的复杂程度。另外，磁振子信号也可以形成超短自旋孤子波脉冲，在传输的过程中波形和速度都保持不变，进一步提高数据传输的准确性。
在本公开其中一个实施例中，所述信号转换模块包含具有自旋霍尔效应、Rashba效应或自旋转移矩效应的材料或结构。例如，磁性隧道结或两种材料的界面。
其中，信号转换模块具有自旋霍尔效应、Rashba效应或自旋转移矩效应，也即信号转换模块包含具有自旋霍尔效应、Rashba效应或自旋转移矩效应的材料或结构，其包括重金属材料、铁磁材料、反铁磁材料、二维材料、拓扑材料或磁性隧道结中的至少一种。具有自旋霍尔效应或Rashba效应的材料如Pt、W、Ta、Cr、Mn、Co、Ni、CoFeB、NiFe、IrMn、PtMn、WTe2、WSe2、Bi2Se3、MoS2等。所述磁性隧道结如CoFeB/MgO/CoFeB隧道结。所述两种材料的界面如W/Pt界面、SrTiOa/LaAlO3界面、Bi/Ag界面等。
其中，磁性隧道结由两层通过隧穿层隔开的铁磁层组成，其电阻取决于两层铁磁层相对的磁化方向。当两层铁磁层的磁化方向平行时，磁性隧道结处于低阻态，当两层铁磁层的磁化方向反平行时，磁性隧道结处于高阻态。磁性隧道结的电阻对其中任意一个铁磁层的磁化方向非常敏感，因此，如果磁性隧道结的其中一个铁磁层同时是信号转换模块或者是紧邻磁振子信号的信号转换模块，信号转换模块中的任何磁振子信号改变都会导致磁性隧道结的电阻发生变化，即可以实现磁振子信号到电信号的转变；当磁性隧道结通入电流时，电流也会发生极化从而产生一个自旋流。这个自旋流也会改变信号传输模块中磁振子的分布，实现电信号到磁振子信号的转换。
其中，具有自旋霍尔效应(SHE)或Rashba效应的材料，通过自旋轨道耦合作用，这些材料中自旋流和电流可以互相转换，即通过这些材料的电流会在材料的表面形成一定的自旋积累(称为自旋霍尔或Rashba效应)或将注入到这些材料界面处的自旋流转换成电流(称为逆自旋霍尔效应(ISHE)或逆Rashba效应)。因此，这些材料和磁性隧道结一样，也会通过电荷和自旋之间的相互转换实现电信号到磁振子信号的互相转换。
在本公开其中一个实施例中，所述信号传输模块的材料包括铁磁性材料或反铁磁性材料。
其中，铁磁或反铁磁性材料内部某一区域的电子自旋由于热扰动或某种外在原因会发生微小的扰动，这些微小的扰动通过交换耦合作用传播到其他区域。而通常，在绝对零度以上的情况下，温度的扰动占据主导作用。因此，在绝对零度以上，铁磁性或反铁磁性材料内部会形成能量、数目和频率符合一定分布的磁振子。
通常情况下，铁磁材料的磁振子频率在GHz量级，反铁磁材料的磁振子频率在THz量级，但反铁磁材料中激发的磁振子的控制难度要大于铁磁性材料。磁振子在铁磁性或反铁磁性材料中具有本征的带宽和能量分布，其取决于具体的磁性材料和结构。除了上述温度扰动外，信号转换模块也可以在铁磁性或反铁磁性材料的表面创建自旋积累或施加微波场来扰动磁振子，从而改变磁振子的分布，即实现信号在发射端的调制。铁磁性或反铁磁性材料中的磁振子也可以通过交换耦合或其他近邻效应来影响与其相接触的信号转换模块内部的自旋状态，从而被信号转换模块所感知，即可实现磁振子信号在信号接收端的读取和解调。
可选的，如果铁磁材料的形状或激发条件满足自旋波的激发条件，部分磁振子还会形成长程有序的自旋波激发。
在本公开其中一个实施例中，所述铁磁性材料为包含铁、钴、镍中至少一种金属元素的磁性合金、多层异质结或磁性绝缘体。
示例性的，如CoFe、CoFeB、NiFe、CoNi、Pt/Co多层膜、Y3Fe5O12、Fe3GeTe2、Cr2Ge2Te6、Tm3Fe5O12等。
在本公开其中一个实施例中，所述反铁磁性材料为包含铁、钴、镍、锰、铬中至少一种金属元素的反铁磁性合金、多层异质结或反磁性绝缘体。
示例性的，如IrMn、PtMn、NiOx、FeOx、Cr2O3等。
在本公开其中一个实施例中，所述铁磁性材料具有垂直磁各向异性或面内磁各向异性。
在本公开其中一个实施例中，所述反铁磁材料的聂耳矢量与磁振子的传输方向可以成任意角度。
在本公开其中一个实施例中，所述信号转换模块设置于待进行数据传输的功能模块内，并与所述功能模块电连接。
当进行数据传输时，可以给待进行数据传输的功能模块施加一个电压，由于该功能模块和信号转换模块电连接，从而给信号转换模块施加一个电压，使信号转换模块工作，或者，直接给信号转换模块施加一个电压，使信号转换模块工作。
在本实施例中，也即当进行数据传输时，仅包含信号转换模块即可实现数据传输。
在本公开其中一个实施例中，所述信号转换模块与信号传输模块相接触，以在所述信号传输模块上传输包含有待传输数据信息的磁振子信号。
更多的，该信号转换模块可以为同一芯片内部之间的不同功能模块的一部分，也可以是不同芯片的一部分。该信号转换模块的数量至少为两个，在本公开实施例中，如图2所示，以4个为例进行示意性说明。
本公开的一个实施例中，信号传输模块选用铁磁性的Y3Fe5O12(YIG)，厚度约为10纳米，具有垂直磁各向异性。信号转换模块选用重金属Pt。为提高自旋电荷的转换效率，首先通过光刻和离子刻蚀在YIG薄膜上刻出长度500纳米，宽度50纳米的凹槽，如图3所示，两个凹槽之间的间距为500纳米。注意，离子刻蚀后电子束胶仍保留在YIG表面。然后通过磁控溅射在YIG上沉积6纳米的Pt，溅射时磁控溅射靶和样品表面呈30度夹角，如图4所示，溅射结束后去胶。最后，通过光刻和磁控溅射再沉积Cr 10nm/Au 100nm的共面波导和电极，用于高频信号测试，制备完成后的样品为图5所示。共面波导在实际的设计中不是必需的，在本实例中电信号的产生是通过外部信号源产生，共面波导是为了更有效的传输和接收高频信号。图6为探测电压和施加的电压关系，证明了通过磁振子信号传输电信号。图7为施加的10纳秒脉冲时序和探测的脉冲时序的关系图，从另一侧面证明了磁振子传输可编码的脉冲序列的有效性。需要说明的是，上述具体数值均为一可选数值，本领域技术人员在不脱离本公开核心思想的情况下，可对上述数值做出效果等同的其它变化。
请参阅图8，图8为本申请一实施例提供的数据传输方法的流程示意图，该方法由图1所示的数据传输装置实现，该数据传输方法包括：
S801、利用信号转换模块，在数据发射端，将包含数据信息的电信号转换为包含所述数据信息的磁振子信号；
S802、利用信号传输模块，传输包含所述数据信息的磁振子信号给数据接收端；
S803、利用所述信号转换模块，在数据接收端，将包含所述数据信息的磁振子信号转换为包含所述数据信息的电信号。
所述信号转换模块具有自旋与电荷相互转换的功能；
所述信号转换模块包含具有自旋霍尔效应、Rashba效应或自旋转移矩效应的材料或结构。例如，磁性隧道结或两种非磁性材料的界面。
可选的，所述信号传输模块的材料包括铁磁性材料或反铁磁性材料。
可选的，所述铁磁性材料为包含铁、钴、镍中至少一种金属元素的磁性合金、多层异质结或磁性绝缘体。
可选的，所述反铁磁性材料为包含铁、钴、镍、锰、铬中至少一种金属元素的反铁磁性合金、多层异质结或反磁性绝缘体。
可选的，所述铁磁性材料具有垂直磁各向异性或面内磁各向异性。
可选的，所述反铁磁材料的聂耳矢量可与信号传输模块中磁振子的传输方向成任意角度。
可选的，所述信号转换模块设置于待进行数据传输的功能模块内，并与所述功能模块电连接。
可选的，所述待进行数据传输的功能模块与同一信号传输模块相接触，以在所述信号传输模块上传输包含有待传输数据信息的磁振子信号。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上为对本发明所提供的一种数据传输装置及方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种数据传输装置，其特征在于，包括：信号转换模块和信号传输模块；
所述信号转换模块，用于在数据发射端，将包含数据信息的电信号转换为包含所述数据信息的磁振子信号；
所述信号传输模块，用于传输包含所述数据信息的磁振子信号给数据接收端；
所述信号转换模块，还用于在数据接收端，将包含所述数据信息的磁振子信号转换为包含所述数据信息的电信号。
2.根据权利要求1所述的数据传输装置，其特征在于，所述信号转换模块具有自旋与电荷相互转换的功能；
所述信号转换模块包含具有自旋霍尔效应、Rashba效应或自旋转移矩效应的材料或结构。
3.根据权利要求1所述的数据传输装置，其特征在于，所述信号传输模块的材料包括铁磁性材料或反铁磁性材料。
4.根据权利要求3所述的数据传输装置，其特征在于，所述铁磁性材料为包含铁、钴、镍中至少一种金属元素的磁性合金、多层异质结或磁性绝缘体。
5.根据权利要求3所述的数据传输装置，其特征在于，所述反铁磁性材料为包含铁、钴、镍、锰、铬中至少一种金属元素的反铁磁性合金、多层异质结或反磁性绝缘体。
6.根据权利要求3或4所述的数据传输装置，其特征在于，所述铁磁性材料具有垂直磁各向异性或面内磁各向异性。
7.根据权利要求3或5所述的数据传输装置，其特征在于，所述反铁磁材料的聂耳矢量和磁振子的传输方向可以成任意角度。
8.根据权利要求1所述的数据传输装置，其特征在于，所述信号转换模块设置于待进行数据传输的功能模块内，并与所述功能模块电连接。
9.根据权利要求8所述的数据传输装置，其特征在于，所述待进行数据传输的功能模块与信号传输模块相接触，以在所述信号传输模块上传输包含有待传输数据信息的磁振子信号。
10.一种数据传输方法，其特征在于，包括：
利用信号转换模块，在数据发射端，将包含数据信息的电信号转换为磁振子信号；
利用信号传输模块，传输包含所述数据信息的磁振子信号给数据接收端；
利用所述信号转换模块，在数据接收端，将包含所述数据信息的磁振子信号转换为包含所述数据信息的电信号。
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- 2020-08-28 CN CN202010891913.2A patent/CN112035390A/zh active Pending
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