CN113451502B - 多功能磁性随机存储单元、方法、存储器及设备 - Google Patents

多功能磁性随机存储单元、方法、存储器及设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多功能磁性随机存储单元、方法、存储器及设备，所述存储单元包括自旋轨道耦合层、至少一个磁隧道结以及VCMA调控模块，所述至少一个磁隧道结的自由层受到DMI效应作用；所述VCMA调控模块用于通过输入VCMA电压使所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态或第二垂直各向异性状态；当所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态时，向自旋轨道耦合层输入第一电流，所述磁隧道结的阻态改变；当所述磁隧道结处于第二垂直各向异性状态时，向自旋轨道耦合层输入第二电流，所述磁隧道结形成随机阻态，本发明可在无外加磁场条件下实现随机数生成和数据存储。

Description

多功能磁性随机存储单元、方法、存储器及设备
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种多功能磁性随机存储单元、方法、存储器及设备。
背景技术
随着半导体工艺尺寸的不断缩小，摩尔定律放缓，漏电流的增加和互联延迟成为传统CMOS存储器的瓶颈。磁性随机存储器(Magnetic random access memory,MRAM)具有无限擦写次数、非易失性、读写速度快、抗辐照等优点，有望成为通用存储器，是构建下一代非易失主存和缓存的理想器件。磁隧道结是磁随机存储器的基本存储单元。第二代自旋转移矩磁性随机存储器(STT-MRAM)存在孵化时间较长、读写干扰等缺点，限制了其进一步发展。自旋轨道矩磁性随机存储器(SOT-MRAM)由于具有写入速度快、读写路径分离和功耗较低等优点，受到工业界和学术界的广泛重视。
目前基于自旋轨道矩(Spin-orbit torque,SOT)的SOT-MRAM有望成为MRAM下一代写入技术的核心器件。与STT-MRAM相比，SOT-MRAM写入电流流经底层自旋轨道耦合层，避免了击穿风险。而且，SOT-MRAM理论上具有小于1ns的超快写入速度，有望成为缓存。并且，形成自旋轨道耦合层的重金属电阻率低、功耗低，基于SOT-MRAM的存储器件读写支路分离，允许更厚的势垒层。但是，SOT-MRAM如果没有外部磁场，磁矩将会在极化电流的作用下被拉到面内，撤去电流后，磁矩将以相同的概率向上或向下，也就是说，SOT-MRAM在没有外部磁场时磁矩的切换是不确定的，可以用来生成真随机数生成器。因此，在实际应用中，外部磁场的使用会增加电路设计的复杂度，可行性较低，并且，目前的SOT-MRAM也只能实现单一的随机数生成或数据存储功能，利用率低。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种多功能磁性随机存储单元，提供一种无外加磁场条件下的随机数生成和数据存储的多功能磁性随机存储单元。本发明的另一个目的在于提供一种基于多功能磁性随机存储单元的数据写入方法。本发明的再一个目的在于提供一种基于多功能磁性随机存储单元的逻辑运算方法。本发明的还一个目的在于提供一种多功能磁性随机存储器。本发明的还一个目的在于提供一种计算机设备。
为了达到以上目的，本发明一方面公开了一种多功能磁性随机存储单元，包括自旋轨道耦合层、设于所述自旋轨道耦合层上的至少一个磁隧道结以及VCMA调控模块，所述至少一个磁隧道结的自由层受到DMI效应作用；
所述VCMA调控模块用于通过输入VCMA电压使所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态或第二垂直各向异性状态，所述第一垂直各向异性状态的磁隧道结的垂直各向异性大于第二垂直各向异性状态的磁隧道结的垂直各向异性；
当所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态时，向自旋轨道耦合层输入第一电流，所述磁隧道结的阻态改变；当所述磁隧道结处于第二垂直各向异性状态时，向自旋轨道耦合层输入第二电流，所述磁隧道结形成随机阻态。
优选的，若所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态，所述VCMA调控模块用于输入正向的VCMA电压使所述磁隧道结在正向的VCMA电压作用下处于第二垂直各向异性状态；或者，
若所述磁隧道结处于第二垂直各向异性状态，所述VCMA调控模块用于输入反向的VCMA电压使所述磁隧道结在反向的VCMA电压作用下处于第一垂直各向异性状态。
优选的，进一步包括写入模块，用于向所述自旋轨道耦合层输入所述第一电流或所述第二电流；
所述磁隧道结包括自上而下依次设置的固定层、势垒层和自由层；
所述自由层的底面与所述自旋轨道耦合层固定连接，所述VCMA调控模块用于向所述磁隧道结输入所述VCMA电压。
所述VCMA调控模块包括电压输入端和第一开关元件；
当输入正向的VCMA电压时，所述电压输入端与所述第一开关元件的第一端连接，用于提供VCMA电压，所述第一开关元件的控制端用于接收控制信号，所述第一开关元件的第二端与所述磁隧道结的顶端连接，所述第一开关元件响应于所述控制信号导通所述电压输入端和所述磁隧道结的顶端；
当输入反向的VCMA电压时，所述电压输入端与所述第一开关元件的第一端连接，用于提供VCMA电压，所述第一开关元件的控制端用于接收控制信号，所述第一开关元件的第二端与自旋轨道耦合层连接，所述第一开关元件响应于所述控制信号导通所述电压输入端和所述自旋轨道耦合层。
优选的，进一步包括读取电路，用于读取所述磁隧道结的阻态，根据待写入数据与所述阻态确定所述磁隧道结的阻态是否需要改变，若是，控制所述VCMA调控模块使所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态。
优选的，所述DMI效应的强度为0.1-3mJ/m2。
优选的，所述VCMA调控模块进一步用于通过调控VCMA电压使所述磁隧道结处于第三垂直各向异性状态，所述第三垂直各向异性状态的磁隧道结的垂直各向异性大于第二垂直各向异性状态的磁隧道结的垂直各向异性且小于第一垂直各向异性状态的磁隧道结的垂直各向异性；
当所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态时，向自旋轨道耦合层输入第三电流或第四电流时，所述磁隧道结的阻态不变，向自旋轨道耦合层输入第三电流和第四电流时，所述磁隧道结的阻态改变；
当所述磁隧道结处于第三垂直各向异性状态时，向自旋轨道耦合层输入第三电流、第四电流以及第三电流和第四电流时，所述磁隧道结的阻态改变。
本发明还公开了一种基于如上所述的多功能磁性随机存储单元的数据写入方法，包括：
当写入随机数时，
通过所述VCMA调控模块使所述磁隧道结处于第二垂直各向异性状态；
向自旋轨道耦合层输入第二电流使所述磁隧道结形成随机阻态；
当写入待写入数据时，
读取所述磁隧道结的阻态；
根据所述磁隧道结的阻态和所述待写入数据确定所述磁隧道结的阻态是否需要改变，若是，控制所述VCMA调控模块使所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态；
向自旋轨道耦合层输入第一电流使所述磁隧道结的阻态改变以写入所述待写入数据。
本发明还公开了一种基于如上所述的多功能磁性随机存储单元的逻辑运算方法，包括：
通过所述VCMA调控模块使所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态，则向自旋轨道耦合层输入第三电流或第四电流时，所述磁隧道结的阻态不变，向自旋轨道耦合层输入第三电流和第四电流时，所述磁隧道结的阻态改变；
通过所述VCMA调控模块使所述磁隧道结处于第三垂直各向异性状态，向自旋轨道耦合层输入第三电流、第四电流以及第三电流和第四电流时，所述磁隧道结的阻态改变。
本发明还公开了一种多功能磁性随机存储器，包括阵列排布的多个如上所述的多功能磁性随机存储单元。
本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，
所述处理器和/或所述存储器包括如上所述的多功能磁性随机存储单元。
本发明通过改变磁隧道结的工艺和材料，使与自旋轨道耦合层接触的磁隧道结的自由层受到DMI效应的影响，在DMI效应的影响下，自由层的磁矩分布不均匀。在DMI效应的基础上，进一步通过VCMA调控模块调节磁隧道结的垂直各向异性，使磁隧道结的垂直各向异性在VCMA电压的作用下可以处于第一垂直各向异性状态或第二垂直各向异性状态，具有两个不同的垂直各向异性场，从而使自由层磁矩翻转的稳定性不同。当磁隧道结处于垂直各向异性较高的第一垂直各向异性状态时，通过向自旋轨道耦合层输入第一电流，使自由层的磁矩状态发生稳定性翻转，从而改变磁隧道结的阻态，实现数据写入。当磁隧道结处于垂直各向异性较低的第二垂直各向异性状态时，通过向自旋轨道耦合层输入第二电流，使自由层的磁矩状态发生不稳定性变化，从而磁隧道结的阻态的改变无法确定，实现随机数的生成。本发明无需外界磁场辅助，通过DMI效应以及VCMA调控磁隧道结的垂直各向异性，提供了一种可实现随机数生成和特定数据写入的多功能磁性随机存储单元。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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示出本发明多功能磁性随机存储单元一个具体实施例的结构图之一；
图2示出本发明多功能磁性随机存储单元一个具体实施例的结构图之二；
图3示出本发明多功能磁性随机存储单元一个具体实施例的结构图之三；
图4示出本发明基于多功能磁性随机存储单元的数据写入方法一个具体实施例的流程图；
图5示出本发明基于多功能磁性随机存储单元的逻辑运算方法一个具体实施例的流程图；
图6示出本发明基于多功能磁性随机存储单元的数据写入方法一个具体实施方式实现“与非”运算的流程图；
图7示出本发明基于多功能磁性随机存储单元的数据写入方法一个具体实施方式实现“或非”运算的流程图；
图8示出本发明基于多功能磁性随机存储单元的数据写入方法另一个具体实施方式实现“与非”运算的流程图；
图9示出本发明基于多功能磁性随机存储单元的数据写入方法另一个具体实施方式实现“或非”运算的流程图；
图10示出适于包括本发明实施例的计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的一个方面，本实施例公开了一种多功能磁性随机存储单元。如图1-图3所示，本实施例中，所述单元包括自旋轨道耦合层A1、设于所述自旋轨道耦合层A1上的至少一个磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)以及VCMA调控模块，所述至少一个磁隧道结的自由层B1受到DMI(Dzyaloshinskii-Moriya interaction)效应。
需要说明的是，DMI效应是一种界面效应，可引起磁矩的非平行排列，即引起磁矩的不均匀分布。在实际生产中，可采用通过控制磁隧道结自由层B1的工艺和设置插入层的方式使自由层B1受到DMI效应的影响，产生磁矩的不均匀分布。其中，自由层B1的上表面和/或下表面可受到DMI效应作用。具体的，自由层B1与自旋轨道耦合层A1接触的下表面可受到DMI效应作用，自由层B1与势垒层B2或插入层接触的上表面也可受到DMI效应作用。例如，可通过控制自由层B1上下表面的退火温度或者添加Mg插入层使自由层B1受到DMI效应的影响。在实际应用中，本领域技术人员可根据实际需求设置自由层B1受到的DMI效应，在此不再赘述。
其中，所述VCMA调控模块用于通过输入VCMA电压使所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态或第二垂直各向异性状态，所述第一垂直各向异性状态的磁隧道结的垂直各向异性大于第二垂直各向异性状态的磁隧道结的垂直各向异性。
当所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态时，向自旋轨道耦合层A1输入第一电流，所述磁隧道结的阻态改变；当所述磁隧道结处于第二垂直各向异性状态时，向自旋轨道耦合层A1输入第二电流，所述磁隧道结形成随机阻态。其中，磁隧道结的阻态改变和得到随机阻态的最终阻态需要在撤掉第一电流或第二电流之后再进行读取确定。
本发明通过改变磁隧道结的工艺和材料，使与自旋轨道耦合层A1接触的磁隧道结的自由层B1受到DMI效应的影响，在DMI效应的影响下，自由层B1的磁矩分布不均匀。在DMI效应的基础上，进一步通过VCMA调控模块调节磁隧道结的垂直各向异性，使磁隧道结的垂直各向异性在VCMA电压的作用下可以处于第一垂直各向异性状态或第二垂直各向异性状态，具有两个不同的垂直各向异性场，从而使自由层B1磁矩翻转的稳定性不同。当磁隧道结处于垂直各向异性较高的第一垂直各向异性状态时，通过向自旋轨道耦合层A1输入第一电流，使自由层B1的磁矩状态发生稳定性翻转，从而改变磁隧道结的阻态，实现数据写入。当磁隧道结处于垂直各向异性较低的第二垂直各向异性状态时，通过向自旋轨道耦合层A1输入第二电流，使自由层B1的磁矩状态发生不稳定性变化，从而磁隧道结的阻态的改变无法确定，实现随机数的生成。本发明无需外界磁场辅助，通过DMI效应以及VCMA调控磁隧道结的垂直各向异性，提供了一种可实现随机数生成和特定数据写入的多功能磁性随机存储单元。
在优选的实施方式中，所述磁隧道结包括自上而下依次设置的固定层B3、势垒层B2和自由层B1。所述自由层B1的底面与所述自旋轨道耦合层A1固定连接，所述VCMA调控模块用于向所述磁隧道结输入VCMA电压。
可以理解的是，磁隧道结的电阻取决于固定层B3与自由层B1的磁化方向，而自由层B1和固定层B3的磁化方向由磁矩方向决定。其中，固定层B3与自由层B1的磁矩方向相同时，磁隧道结处于低电阻状态(低阻态)，固定层B3与自由层B1的磁矩方向相反时，磁隧道结处于高电阻状态(高阻态)。可预先将磁隧道结的高电阻状态和低电阻状态分别与不同数据对应，例如，预先设定高电阻状态与数据“1”对应，低电阻状态与数据“0”对应，则通过读取电路向磁隧道结输入电流或电压，根据电流或电压的变化可以确定磁隧道结的阻态为高电阻状态还是低电阻状态的阻态，根据磁隧道结的阻态可确定该磁隧道结中存储的数据为“1”还是“0”。其中，高电阻状态和低电阻状态的范围确定为本领域的常用技术手段，本领域技术人员可根据公知常识确定磁隧道结高电阻状态和低电阻状态的阻值范围，本发明在此不再赘述。
在优选的实施方式中，为了调节磁隧道结的垂直各向异性、各层的平滑度以及调节DMI效应等等特性，磁隧道结还可包括插入层、钉扎层、种子层和封盖层等层结构的至少之一。其中，各层结构的设置可根据实际需求设置一层或多层，并且本领域技术人员可根据需求设置磁隧道结各层结构自上而下的设置顺序，本发明对此并不作限定。例如，在一个具体例子中，可在自由层B1与强自旋耦合层A1之间插入0.1nm-1nm的Mg层，或者在自由层B1和势垒层B2之间插入0.1nm-1nm的Mg层，以提高自由层B1受到的DMI效应的强度。
在优选的实施方式中，所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态，所述VCMA调控模块用于输入正向的VCMA电压使所述磁隧道结在正向的VCMA电压作用下处于第二垂直各向异性状态。
可以理解的是，当磁隧道结处于第一垂直各向异性时，磁隧道结的垂直各向异性较高，则向自旋轨道耦合层A1输入第一电流时，所述磁隧道结的阻态改变，可以实现自由层B1磁矩的确定性翻转，从而无需输入VCMA电压对磁隧道结的垂直各向异性进行调节即可实现数据写入的目的。而当需要生成随机数时，可通过VCMA调控模块向磁隧道结的固定层B3输入VCMA电压以降低磁隧道结的垂直各向异性，使磁隧道结的垂直各向异性降至第二垂直各向异性状态。进而，当磁隧道结处于第二垂直各向异性状态时，向自旋轨道耦合层A1输入第二电流，可使所述磁隧道结自由层B1的磁矩方向发生不确定的翻转，从而最后得到的磁隧道结的阻态可能是低阻态，也可能是高阻态，导致磁隧道结的最终阻态是随机的，可用于生成随机数。
在优选的实施方式中，所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态，所述VCMA调控模块进一步用于输入反向的VCMA电压使所述磁隧道结在反向的VCMA电压作用下保持第一垂直各向异性状态。可以理解的是，当所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态时，也可输入反向的VCMA电压，进一步提高磁隧道结的垂直各向异性，确保磁隧道结在数据写入时保持在第一垂直各向异性状态。
在优选的实施方式中，所述磁隧道结处于第二垂直各向异性状态，所述VCMA调控模块用于输入反向的VCMA电压使所述磁隧道结在反向的VCMA电压作用下处于第一垂直各向异性状态。
可以理解的是，当磁隧道结处于第二垂直各向异性时，磁隧道结的垂直各向异性较低，则向自旋轨道耦合层A1输入第二电流时，所述磁隧道结的阻态发生不确定性改变，可以用于生成随机数，从而无需输入VCMA电压对磁隧道结的垂直各向异性进行调节即可实现随机数生成的目的。而当需要写入待写入数据时，可通过VCMA调控模块向磁隧道结的固定层B3输入反向的VCMA电压以提高磁隧道结的垂直各向异性，使磁隧道结的垂直各向异性上升至第一垂直各向异性状态。进而，当磁隧道结处于第一垂直各向异性状态时，向自旋轨道耦合层A1输入第一电流，可使所述磁隧道结自由层B1的磁矩方向发生确定的翻转，从而最后得到的磁隧道结的阻态是确定的，可实现写入数据的目的。
在优选的实施方式中，所述磁隧道结处于第二垂直各向异性状态，所述VCMA调控模块进一步用于输入正向的VCMA电压使所述磁隧道结在正向的VCMA电压作用下保持第二垂直各向异性状态。可以理解的是，当所述磁隧道结处于第二垂直各向异性状态时，也可输入正向的VCMA电压，进一步降低磁隧道结的垂直各向异性，确保磁隧道结在随机数生成时保持在第二垂直各向异性状态。
在优选的实施方式中，多功能磁性随机存储单元进一步还可包括写入模块。该写入模块用于向所述自旋轨道耦合层A1输入所述第一电流或所述第二电流。
在一个具体例子中，可在自旋轨道耦合层A1相对的两侧边缘分别设置输入电极和输出电极，通过输入电极和输出电极向自旋轨道耦合层A1输入第一电流或第二电流。进一步的，写入模块可包括至少一个开关元件，开关元件可与提供第一电流和第二电流的电流端和输入电极分别连接，将输出电极接地。使开关元件可响应于写入信号或随机数生成信号控制至少一个开关元件的导通电流端和自旋轨道耦合层A1，实现向自旋轨道耦合层A1输入第一电流或第二电流的目的。在其他实施例中，写入模块也可通过其他方式写入第一电流或第二电流，本发明对此并不作限定。
更优选的，所述第一电流和所述第二电流为相同的电流信号。可以理解的是，将第一电流和第二电流设置为相同的电流信号，可以通过相同的电路结构实现，可简化多功能磁性随机存储单元的结构，减小体积，降低成本。
在优选的实施方式中，VCMA调控模块可通过具体的电路结构实现。具体的，所述VCMA调控模块包括电压输入端和第一开关元件M1。其中，当输入正向的VCMA电压时，所述电压输入端与所述第一开关元件M1的第一端连接，用于提供VCMA电压，所述第一开关元件M1的控制端用于接收控制信号，所述第一开关元件M1的第二端与所述磁隧道结的顶端连接(若顶端为固定层B3，则与固定层B3连接)，所述第一开关元件M1响应于所述控制信号导通所述电压输入端和所述磁隧道结的顶端。当输入反向的VCMA电压时，所述电压输入端与所述第一开关元件M1的第一端连接，用于提供VCMA电压，所述第一开关元件M1的控制端用于接收控制信号，所述第一开关元件M1的第二端与自旋轨道耦合层A1连接，所述第一开关元件M1响应于所述控制信号导通所述电压输入端和所述自旋轨道耦合层A1。其中，控制信号为外部控制电路输入，为常规技术手段，在此不再赘述。
由VCMA调控模块的具体电路结构可知，在第一开关元件M1的控制端接收到控制信号导通时，外部控制电路可通过电压输入端向磁隧道结的固定层B3输入正向或负向的VCMA电压，以实现降低或提高磁隧道结的垂直各向异性的目的。在其他实施例中，VCMA调控模块也可通过其他方式写入VCMA电压，本发明对此并不作限定。
在优选的实施方式中，所述多功能磁性随机存储单元进一步包括读取电路。用于读取所述磁隧道结的阻态，根据待写入数据与所述阻态确定所述磁隧道结的阻态是否需要改变，若是，控制所述VCMA调控模块使所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态。
可以理解的是，本发明中，在磁隧道结处于第一垂直各向异性状态时，向自旋轨道耦合层A1输入第一电流，所述磁隧道结的阻态改变，即将磁隧道结中的阻态变为相反的阻态，使磁隧道结中存储的数据从一个数据变为另一个数据。例如，磁隧道结的阻态为高阻态或低阻态时，表示磁隧道结中分别存储“1”和“0”两个数据。则当磁隧道结的阻态表示存储的数据为“1”时，经过第一电流的写入，磁隧道结的阻态变为表示存储的数据为“0”。反之变然，当磁隧道结的阻态表示存储的数据为“0”时，经过第一电流的写入，磁隧道结的阻态变为表示存储的数据为“1”。因此，在进行数据写入时，优选的可先通过读取电路确定磁隧道结的阻态，以确定磁隧道结中存储的数据。进一步的，根据待写入数据和当前磁隧道结中存储的数据可确定各磁隧道结中存储的数据是否需要改变，以确定磁隧道结的阻态是否需要通过VCMA调控模块和第一电流的输入进行改变，以使磁隧道结中存储的数据为待写入数据。若需要改变磁隧道结的阻态，控制所述VCMA调控模块使所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态，并进一步向自旋轨道耦合层A1输入第一电流以改变磁隧道结的阻态。需要说明的是，读取电路的具体电路结构设计为本领域的常规技术手段，本领域技术人员可根据实际需要采用不同的电路结构实现读取电路的功能，在此不再赘述。
在优选的实施方式中，可通过控制自由层B1的工艺条件或设置插入层等方式将自由层B1受到的DMI效应的强度设置在0.1-3mJ/m2的范围内。为了更好的实现本发明多功能磁性随机存储单元的随机数生成和数据写入的多功能，可使磁隧道结自由层B1受到的DMI效应的强度优选的在0.1-2mJ/m2范围内，以防止DMI效应过大导致的振荡效应。更优选的，可使磁隧道结自由层B1受到的DMI效应的强度在0.1-1.5mJ/m2范围内。
在优选的实施方式中，所述VCMA调控模块进一步用于通过调控VCMA电压使所述磁隧道结处于第三垂直各向异性状态，所述第三垂直各向异性状态的磁隧道结的垂直各向异性大于第二垂直各向异性状态的磁隧道结的垂直各向异性且小于第一垂直各向异性状态的磁隧道结的垂直各向异性。
当所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态时，向自旋轨道耦合层A1输入第三电流或第四电流时，所述磁隧道结的阻态不变，向自旋轨道耦合层A1输入第三电流和第四电流时，所述磁隧道结的阻态改变。
当所述磁隧道结处于第三垂直各向异性状态时，向自旋轨道耦合层A1输入第三电流、第四电流以及第三电流和第四电流时，所述磁隧道结的阻态改变。
可以理解的是，在DMI效应和VCMA电压对磁隧道结的双重作用下，通过调节VCMA电压的大小改变磁隧道结的垂直各向异性的程度，并将磁隧道结的垂直各向异性的强弱程度与输入自旋轨道耦合层A1的电流大小进行配合，可实现基于多功能磁性随机存储器的数据逻辑运算功能。具体的，当施加较弱的反向VCMA电压时，即降低反向VCMA电压的大小，磁隧道结的阻态也可以通过向自旋轨道耦合层A1输入电流的形式实现改变，即使自由层B1的磁矩发生翻转，但是此时自由层B1磁矩翻转的翻转电流和电流裕度会发生改变。
基于此，在该优选的实施方式中，通过调控VCMA调控模块输入磁隧道结的VCMA电压的大小，使磁隧道结处于第三垂直各向异性状态，所述第三垂直各向异性状态的磁隧道结的垂直各向异性大于第二垂直各向异性状态的磁隧道结的垂直各向异性且小于第一垂直各向异性状态的磁隧道结的垂直各向异性。
由此，预设第三电流I3和第四电流I4的大小，使当所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态，第三电流I3和第四电流I4单独输入时，均达不到可以使磁隧道结自由层B1磁矩方向翻转的电流大小，当且仅当同时输入第三电流I3和第四电流I4才能够实现使磁隧道结自由层B1的磁矩方向翻转，实现改变磁隧道结中存储的数据的目的。而当通过调控VCMA调控模块使磁隧道结处于第三垂直各向异性状态时，调整VCMA调控模块输入磁隧道结的VCMA电压的大小，使第三电流I3和第四电流I4均能够达到可以使磁隧道结自由层B1磁矩方向翻转的电流大小，使第三电流I3和第四电流I4单独输入以及第三电流I3和第四电流I4同时输入时，均可实现使磁隧道结自由层B1的磁矩方向翻转，实现改变磁隧道结中存储的数据的目的。在一个具体例子中，假设第三电流I3和第三电流I4表示逻辑数字“1”，第三垂直各向异性状态对应逻辑数字“1”，第一垂直各向异性状态对应逻辑数字“0”(表中由VCMA电压表征)，磁隧道结中的不同阻态对应逻辑数字“0”和“1”，则多功能磁性随机存储器可实现的逻辑运算真值表如表1所示。
表1
Figure BDA0002865996380000111
Figure BDA0002865996380000121
可以理解的是，在进行逻辑运算时，第三电流和第四电流的输入在磁隧道结不同垂直各向异性状态时得到的逻辑计算结果不同。假设磁隧道结的高阻态和低阻态分别与“1”和“0”对应，则当所有磁隧道结中的阻态为逻辑数据“0”对应的阻态时，考虑垂直磁各向异性状态，第三电流和第四电流输入之后的磁隧道结的最终阻态即为逻辑运算结果。即可实现与运算和或运算。而当所有磁隧道结中的阻态为逻辑数据“1”对应的阻态时，考虑垂直磁各向异性状态，磁隧道结的最终阻态与第三电流和第四电流的理论逻辑运算结果(和或运算)的阻态相反，则可以实现与非运算和或非运算。从而，可根据实际情况确定逻辑运算的输入量和输出量可以实现与、或、与非、或非、非、大数逻辑等多种逻辑运算。
在优选的实施方式中，若磁隧道结中的初始阻态未知时，还需要在逻辑运算之前读取所述磁隧道结的阻态。基于上述原因，为了实现确定性的逻辑运算，需要先确定各磁隧道结中初始的阻态，以在磁隧道结输入第三电流和第四电流之后的阻态的基础上结合初始阻态实现不同的逻辑运算。
在优选的实施方式中，当进行与非运算时，首先进行与运算；例如，磁隧道结存储的数字为“0”时，通过所述VCMA调控模块使所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态，则向自旋轨道耦合层A1输入第三电流或第四电流时，所述磁隧道结的阻态不变，向自旋轨道耦合层A1输入第三电流和第四电流时，所述磁隧道结的阻态改变，实现与运算。然后向自旋轨道耦合层A1输入第一电流以使所述磁隧道结的阻态改变，实现与非运算。
在优选的实施方式中，当进行或非运算时，首先进行或运算；例如，磁隧道结存储的数字为“0”时，通过所述VCMA调控模块使所述磁隧道结处于第三垂直各向异性状态，则向自旋轨道耦合层A1输入第三电流、第四电流以及第三电流和第四电流时，所述磁隧道结的阻态改变，实现或运算。然后磁隧道结处于第一垂直各向异性状态，向自旋轨道耦合层A1输入第一电流以使所述磁隧道结的阻态改变，实现或非运算。
需要说明的是，以实现与非和或非运算为例，可以通过结合磁隧道结的初始阻态实现与非和或非运算。如，通过写入实现确定的初始阻值，之后进行逻辑运算。当然，也可以通过多次写入实现与非和或非运算，例如可以首先进行与运算，然后再使磁隧道结的阻态改变实现非运算实现与非运算，可以首先进行或运算，然后再使磁隧道结的阻态改变实现非运算实现或非运算。
进一步需要说明的是，根据真值表表1，初始阻值、第三电流、第四电流和VCMA电压的不同大小均可以预定义为逻辑数字“0”和“1”，则根据表1可知，选择初始阻值、第三电流、第四电流和VCMA电压四个参数中的至少二个与最终阻值相对应，在其他参数按照真值表对应设置时，可以实现与、或、与非和或非等多种逻辑运算。例如，在磁隧道结的初始阻值对应为逻辑数字“1”，第三电流输入为逻辑数字“0”时，此时第四电流和VCMA电压的不同逻辑数字的输入可以实现“与非”的逻辑运算，即在第四电流和VCMA电压分别对应逻辑数字对(0，0)、(0，1)和(1，0)时，磁隧道结的最终阻值对应逻辑数字“1”，第四电流和VCMA电压对应逻辑数字对(1，1)时，磁隧道结的最终阻值为0，从而实现了第四电流和VCMA电压对应逻辑数字的“与非”运算，其他类似例子在此不再赘述。以上的逻辑运算的具体例子仅作为示例，并不限定多功能磁性随机存储单元的具体应用，基于与本发明相同发明构思的逻辑运算方法的技术方案也理应在本发明的保护范围内。
可选的，自旋轨道耦合层A1上的磁隧道结的形状可以是立方体、圆柱体、正方体或椭圆柱体等形状中的任意一种。设置在自旋轨道耦合层A1上的至少一个磁隧道结的底面形状，即自由层B1的下表面与自旋轨道耦合层A1耦合。
优选的，自旋轨道耦合层A1可选用长方形，使自旋轨道耦合层A1的顶面面积大于设置在自旋轨道耦合层A1上的至少一个磁隧道结所占的面积，即使至少一个磁隧道结可以设于所述自旋轨道耦合层A1上，并使至少一个磁隧道结的外边缘位于所述自旋轨道耦合层A1的外边缘的内侧。其中，自旋轨道耦合层A1优选的可选用重金属条状薄膜或反铁磁条状薄膜。
需要说明的是，自旋轨道耦合层A1上的磁隧道结可以是一个也可以是多个，优选的可将多个磁隧道结设于同一条自旋轨道耦合层A1之上，能够实现对多个磁隧道结的一次性随机数生成或数据写入操作，可减小输入第一电流或第二电流的控制晶体管的数量，进而提高集成度和降低电路功耗。
在优选的实施方式中，磁性随机存储单元向自旋轨道耦合层A1和磁隧道结输入电流时可通过在自旋轨道耦合层A1和磁隧道结上设置电极输入，例如在磁隧道结顶部设置顶电极，在自旋轨道耦合层A1相对的两侧分别设置输入电极和输出电极。其中，优选的，电极的材料可采用钽Ta、铝Al、金Au或铜Cu中的任意一种。
优选的，所述自由层B1和固定层B3的材料可为铁磁金属，所述势垒层B2的材料可为氧化物。所述磁隧道结具有垂直磁各向异性，则表示形成磁隧道结的自由层B1和固定层B3的磁化方向沿垂直方向。其中，铁磁金属可为钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe等材料中的至少一种形成的混合金属材料，混合的金属材料的比例可以相同也可以不同。所述氧化物可为氧化镁MgO或氧化铝Al2O3等氧化物中的一种，用于产生隧穿磁阻效应。在实际应用中，铁磁金属和氧化物还可以采用其他可行的材料，本发明对此并不作限定。
磁隧道结的自由层B1与自旋轨道耦合层A1接触固定，可通过传统的离子束外延、原子层沉积或磁控溅射等方法将磁隧道结的各层和自旋轨道耦合层A1按照从下到上的顺序依次镀在衬底上，然后通过光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺来制备形成多个磁隧道结。
在优选的实施方式中，所述自旋轨道耦合层A1为重金属薄膜、反铁磁薄膜或其他材料构成的自旋轨道耦合层A1。重金属薄膜或反铁磁薄膜可制成长方形，其顶面积优选的大于所有磁隧道结形成的轮廓的底面积，以能够设置一个或多个磁隧道结，磁隧道结的底面形状完全内嵌于重金属薄膜或反铁磁薄膜的顶面形状。优选的，所述自旋轨道耦合层A1的材料可以选用铂Pt、钽Ta或钨W等材料中的一种。在实际应用中，自旋轨道耦合层A1还可以采用其他可行的材料形成，本发明对此并不作限定。
本领域技术人员能够明了，本实施例中的开关元件可采用三极管，在其他实施方式中，也可以采用二极管实现。当采用三极管实现时，可以采用N型三极管，也可以采用P型三极管，各种信号的高低电平是与三极管的型号配合才能实现对应的功能。本领域技术人员能够知晓使得P型三极管导通需要配合低电平信号，使得N型三极管导通需要配合高电平信号，从而采用N型三极管或P型三极管并设置三极管栅极(控制端)的电平以实现相应的导通或断开功能，从而实现本发明的数据读取目的。本发明实施例提供的三极管的控制端为栅极，第一端可以为源极，则第二端为漏极，或者反之，第一端可以是漏极，则第二端为源极，本发明对此不作限定，可根据三极管的类型合理选择即可。
此外，本发明实施例提供的三极管可以为场效应三极管，其中可以为增强型场效应三极管，也可以为耗尽型场效应三极管。三极管可以采用低温多晶硅TFT，能够降低制造成本和产品功耗，具有更快的电子迁移率，还可以采用氧化物半导体TFT。
在本实施例中，磁隧道结包括顶部的固定层B3、与自旋轨道耦合层A1接触的自由层B1以及设于所述固定层B3和所述自由层B1间的势垒层B2，磁隧道结为三层结构，只包括一个自由层B1。在其他实施例中，自由层B1可设置为多个，即两层以上的自由层B1。则磁隧道结包括顶部的固定层B3、多个自由层B1以及设于每相邻两层间的势垒层B2，最底层的自由层B1与所述自旋轨道耦合层A1接触设置。例如，在一个具体例子中，当包括两层自由层B1时，磁性存储单元结构可包括自旋轨道耦合层A1、依次设于所述自旋轨道耦合层A1上的第二自由层B1、势垒层B2、第一自由层B1、势垒层B2和固定层B3。
基于相同原理，本发明还公开了一种基于本实施例所述的多功能磁性随机存储单元的数据写入方法。如图4所示，本实施例中，所述方法包括：
S100：当写入随机数时，
通过所述VCMA调控模块使所述磁隧道结处于第二垂直各向异性状态；
向自旋轨道耦合层A1输入第二电流使所述磁隧道结形成随机阻态。
S200：当写入待写入数据时，
读取所述磁隧道结的阻态；
根据所述磁隧道结的阻态和所述待写入数据确定所述磁隧道结的阻态是否需要改变，若是，控制所述VCMA调控模块使所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态；
向自旋轨道耦合层A1输入第一电流使所述磁隧道结的阻态改变以写入所述待写入数据。
由于该方法解决问题的原理与以上多功能磁性随机存储单元类似，因此本方法的实施可以参见上述多功能磁性随机存储单元的实施，在此不再赘述。
基于相同原理，本实施例还公开了一种基于本实施例所述的多功能磁性随机存储单元的逻辑运算方法。如图5所示，本实施例中，所述方法包括：
S300：通过所述VCMA调控模块使所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态，则向自旋轨道耦合层A1输入第三电流或第四电流时，所述磁隧道结的阻态不变，向自旋轨道耦合层A1输入第三电流和第四电流时，所述磁隧道结的阻态改变。
S400：通过所述VCMA调控模块使所述磁隧道结处于第三垂直各向异性状态，则向自旋轨道耦合层A1输入第三电流、第四电流以及第三电流和第四电流时，所述磁隧道结的阻态改变。
可以理解的是，在进行逻辑运算时，第三电流和第四电流的输入在磁隧道结不同垂直各向异性状态时得到的逻辑计算结果不同。假设磁隧道结的高阻态和低阻态分别与“1”和“0”对应，则当所有磁隧道结中的阻态为逻辑数据“0”对应的阻态时，第三电流和第四电流输入之后的磁隧道结的最终阻态即为逻辑运算结果。即S300可以实现与运算，S400可以实现或运算。而当所有磁隧道结中的阻态为逻辑数据“1”对应的阻态时，磁隧道结的最终阻态与第三电流和第四电流的理论逻辑运算结果的阻态相反，则S300可以实现与非运算，S400可以实现或非运算。从而，可根据实际情况确定需不需要考虑磁隧道结初始的阻态可以实现与、或、与非和或非等多种逻辑运算。
在优选的实施方式中，所述方法进一步包括在S300和S400之前读取所述磁隧道结的阻态的步骤。基于上述原因，为了实现确定性的逻辑运算，需要先确定各磁隧道结中初始的阻态，以在磁隧道结输入第三电流和第四电流之后的阻态的基础上结合初始阻态实现不同的逻辑运算。
在一个可选的实施方式中，如图6所示，所述方法进一步包括：
S510：当进行与非运算时，
首先进行与运算；例如，磁隧道结存储的数字为“0”时，通过所述VCMA调控模块使所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态，则向自旋轨道耦合层A1输入第三电流或第四电流时，所述磁隧道结的阻态不变，向自旋轨道耦合层A1输入第三电流和第四电流时，所述磁隧道结的阻态改变，实现与运算。
S520：使所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态，向自旋轨道耦合层A1输入第一电流或者第三电流和第四电流以使所述磁隧道结的阻态改变；或者，使所述磁隧道结处于第三垂直各向异性状态，向自旋轨道耦合层A1输入第三电流、第四电流或第三电流和第四电流以使所述磁隧道结的阻态改变。
在优选的实施方式中，如图7所示，所述方法进一步包括：
S610：当进行或非运算时，
首先进行或运算；例如，磁隧道结存储的数字为“0”时，通过所述VCMA调控模块使所述磁隧道结处于第三垂直各向异性状态，则向自旋轨道耦合层A1输入第三电流、第四电流以及第三电流和第四电流时，所述磁隧道结的阻态改变，实现或运算。
S620：使所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态，向自旋轨道耦合层A1输入第一电流或者第三电流和第四电流以使所述磁隧道结的阻态改变；或者，使所述磁隧道结处于第三垂直各向异性状态，向自旋轨道耦合层A1输入第三电流、第四电流或第三电流和第四电流以使所述磁隧道结的阻态改变。
在其他可选的实施方式中，如图8所示，与非运算还可以通过如下步骤实现：
S710：当进行与非运算时，读取所述磁隧道结的阻态，根据所述磁隧道结的阻态确定所述磁隧道结的阻态是否需要改变。
若是，控制所述VCMA调控模块使所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态，向自旋轨道耦合层A1输入第一电流或者第三电流和第四电流以使所述磁隧道结的阻态改变；或者，使所述磁隧道结处于第三垂直各向异性状态，向自旋轨道耦合层A1输入第三电流、第四电流或第三电流和第四电流以使所述磁隧道结的阻态改变。
S720：通过所述VCMA调控模块使所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态，则向自旋轨道耦合层A1输入第三电流或第四电流时，所述磁隧道结的阻态不变，向自旋轨道耦合层A1输入第三电流和第四电流时，所述磁隧道结的阻态改变。
在其他可选的实施方式中，如图9所示，或非运算还可以通过如下步骤实现：
S810：当进行或非运算时，读取所述磁隧道结的阻态，根据所述磁隧道结的阻态确定所述磁隧道结的阻态是否需要改变；
若是，控制所述VCMA调控模块使所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态，向自旋轨道耦合层A1输入第一电流或者第三电流和第四电流以使所述磁隧道结的阻态改变；或者，使所述磁隧道结处于第三垂直各向异性状态，向自旋轨道耦合层A1输入第三电流、第四电流或第三电流和第四电流以使所述磁隧道结的阻态改变。
S820：通过所述VCMA调控模块使所述磁隧道结处于第三垂直各向异性状态，则向自旋轨道耦合层A1输入第三电流、第四电流以及第三电流和第四电流时，所述磁隧道结的阻态改变。
需要说明的是，以上具体实施方式以实现与非和或非运算为例，可以通过多次写入实现与非和或非运算。即在S510和S520以及S610和S620的方法中，首先进行与运算，然后再使磁隧道结的阻态改变实现非运算，最终实现与非运算。首先进行或运算，然后再使磁隧道结的阻态改变实现非运算，最终实现或非运算。还可以通过结合磁隧道结的初始阻态实现与非和或非运算。在S710和S720以及S810和S820的方法中，当进行与非或者或非运算时，首先读取各磁隧道结的阻态，将存储逻辑数字“0”的磁隧道结的阻态改变，即先进行一次非运算。再分别进行与运算或者或运算，则磁隧道结中最终得到的阻态为与非或者或非逻辑运算结果对应的阻态。
进一步需要说明的是，根据真值表表1，初始阻值、第三电流、第四电流和VCMA电压的不同大小均可以预定义为逻辑数字“0”和“1”，则根据表1可知，选择初始阻值、第三电流、第四电流和VCMA电压四个参数中的至少二个与最终阻值相对应，在其他参数按照真值表对应设置时，可以实现与、或、与非、或非、非和大数逻辑等多种逻辑运算。例如，在磁隧道结的初始阻值对应为逻辑数字“1”，第三电流输入为逻辑数字“0”时，此时第四电流和VCMA电压的不同逻辑数字的输入可以实现“与非”的逻辑运算，即在第四电流和VCMA电压分别对应逻辑数字对(0，0)、(0，1)和(1，0)时，磁隧道结的最终阻值对应逻辑数字“1”，第四电流和VCMA电压对应逻辑数字对(1，1)时，磁隧道结的最终阻值为0，从而实现了第四电流和VCMA电压对应逻辑数字的“与非”运算，其他类似例子在此不再赘述。以上的逻辑运算的具体例子仅作为示例，并不限定多功能磁性随机存储单元的具体应用，基于与本发明相同发明构思的逻辑运算方法的技术方案也理应在本发明的保护范围内。
由于该方法解决问题的原理与以上多功能磁性随机存储单元类似，因此本方法的实施可以参见上述多功能磁性随机存储单元的实施，在此不再赘述。
基于相同原理，本实施例还公开了一种多功能磁性随机存储器。所述多功能磁性随机存储器包括阵列排布的多个如本实施例所述的多功能磁性随机存储单元。
多功能磁性随机存储器包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。多功能磁性随机存储器的应用例子包括，但不限于随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
由于该多功能磁性随机存储器解决问题的原理与以上多功能磁性随机存储单元类似，因此本多功能磁性随机存储器的实施可以参见上述多功能磁性随机存储单元的实施，在此不再赘述。
基于相同原理，本实施例还公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序。
所述处理器和/或所述存储器包括如本实施例所述的多功能磁性随机存储单元。
上述实施例阐明的多功能磁性随机存储单元，具体可以设置在具有某种功能的产品设备中。一种典型的实现设备为计算机设备，具体的，计算机设备例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
在一个典型的实例中计算机设备具体包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器和/或所述存储器包括如本实施例所述的多功能磁性随机存储单元。
下面参考图10，其示出了适于用来实现本申请实施例的计算机设备600的结构示意图。
如图10所示，计算机设备600包括中央处理单元(CPU)601，其可以根据存储在只读存储器(ROM)602中的程序或者从存储部分608加载到随机访问存储器(RAM))603中的程序而执行各种适当的工作和处理。在RAM603中，还存储有系统600操作所需的各种程序和数据。CPU601、ROM602、以及RAM603通过总线604彼此相连。输入/输出(I/O)接口605也连接至总线604。
以下部件连接至I/O接口605：包括键盘、鼠标等的输入部分606；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶反馈器(LCD)等以及扬声器等的输出部分607；包括硬盘等的存储部分608；以及包括诸如LAN卡，调制解调器等的网络接口卡的通信部分609。通信部分609经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器610也根据需要连接至I/O接口605。可拆卸介质611，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器610上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装如存储部分608。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可应用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种多功能磁性随机存储单元，其特征在于，包括自旋轨道耦合层、设于所述自旋轨道耦合层上的至少一个磁隧道结以及VCMA调控模块，所述至少一个磁隧道结的自由层受到DMI效应作用；
所述VCMA调控模块用于通过输入VCMA电压使所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态或第二垂直各向异性状态，所述第一垂直各向异性状态的磁隧道结的垂直各向异性大于第二垂直各向异性状态的磁隧道结的垂直各向异性；
当所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态时，向自旋轨道耦合层输入第一电流，所述磁隧道结的阻态改变；当所述磁隧道结处于第二垂直各向异性状态时，向自旋轨道耦合层输入第二电流，所述磁隧道结形成随机阻态；
所述VCMA调控模块进一步用于通过调控VCMA电压使所述磁隧道结处于第三垂直各向异性状态，所述第三垂直各向异性状态的磁隧道结的垂直各向异性大于第二垂直各向异性状态的磁隧道结的垂直各向异性且小于第一垂直各向异性状态的磁隧道结的垂直各向异性；
当所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态时，向自旋轨道耦合层输入第三电流或第四电流时，所述磁隧道结的阻态不变，向自旋轨道耦合层输入第三电流和第四电流时，所述磁隧道结的阻态改变；
当所述磁隧道结处于第三垂直各向异性状态时，向自旋轨道耦合层输入第三电流、第四电流以及第三电流和第四电流时，所述磁隧道结的阻态改变。
2.根据权利要求1所述的多功能磁性随机存储单元，其特征在于，当所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态时，所述VCMA调控模块用于输入正向的VCMA电压使所述磁隧道结在正向的VCMA电压作用下处于第二垂直各向异性状态；或者，
当所述磁隧道结处于第二垂直各向异性状态时，所述VCMA调控模块用于输入反向的VCMA电压使所述磁隧道结在反向的VCMA电压作用下处于第一垂直各向异性状态。
3.根据权利要求1所述的多功能磁性随机存储单元，其特征在于，进一步包括写入模块，用于向所述自旋轨道耦合层输入所述第一电流或所述第二电流；
所述磁隧道结包括自上而下依次设置的固定层、势垒层和自由层；
所述自由层的底面与所述自旋轨道耦合层固定连接，所述VCMA调控模块用于向所述磁隧道结输入所述VCMA电压；
所述VCMA调控模块包括电压输入端和第一开关元件；
当输入正向的VCMA电压时，所述电压输入端与所述第一开关元件的第一端连接，用于提供VCMA电压，所述第一开关元件的控制端用于接收控制信号，所述第一开关元件的第二端与所述磁隧道结的顶端连接，所述第一开关元件响应于所述控制信号导通所述电压输入端和所述磁隧道结的顶端；
当输入反向的VCMA电压时，所述电压输入端与所述第一开关元件的第一端连接，用于提供VCMA电压，所述第一开关元件的控制端用于接收控制信号，所述第一开关元件的第二端与自旋轨道耦合层连接，所述第一开关元件响应于所述控制信号导通所述电压输入端和所述自旋轨道耦合层。
4.根据权利要求1所述的多功能磁性随机存储单元，其特征在于，进一步包括读取电路，用于读取所述磁隧道结的阻态，根据待写入数据与所述阻态确定所述磁隧道结的阻态需要改变时，控制所述VCMA调控模块使所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态。
5.根据权利要求1所述的多功能磁性随机存储单元，其特征在于，所述DMI效应的强度为0.1-3mJ/m2。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述的多功能磁性随机存储单元的数据写入方法，其特征在于，包括：
当写入随机数时，
通过所述VCMA调控模块使所述磁隧道结处于第二垂直各向异性状态；
向自旋轨道耦合层输入第二电流使所述磁隧道结形成随机阻态；
当写入待写入数据时，
读取所述磁隧道结的阻态；
根据所述磁隧道结的阻态和所述待写入数据确定所述磁隧道结的阻态需要改变时，控制所述VCMA调控模块使所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态；
向自旋轨道耦合层输入第一电流使所述磁隧道结的阻态改变以写入所述待写入数据。
7.一种基于权利要求1所述的多功能磁性随机存储单元的逻辑运算方法，其特征在于，包括：
通过所述VCMA调控模块使所述磁隧道结处于第一垂直各向异性状态，则向自旋轨道耦合层输入第三电流或第四电流时，所述磁隧道结的阻态不变，向自旋轨道耦合层输入第三电流和第四电流时，所述磁隧道结的阻态改变；
通过所述VCMA调控模块使所述磁隧道结处于第三垂直各向异性状态，向自旋轨道耦合层输入第三电流、第四电流以及第三电流和第四电流时，所述磁隧道结的阻态改变。
8.一种多功能磁性随机存储器，其特征在于，包括阵列排布的多个如权利要求1-5任一项所述的多功能磁性随机存储单元。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，
所述处理器和/或所述存储器包括如权利要求1-5任一项所述的多功能磁性随机存储单元。
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