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Regierungsrechte
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Diese Erfindung wurde mit Regierungsunterstützung unter Vergabenummer NSF-DMR-1006575 vergeben durch die National Science Foundation unter dem Titel „Spin Transfer in Magnetic Nanostructur“ und Vergabenummer ARO-W911NF-07-1-0643 vergeben durch das US Army Research Office unter dem Titel „Electronics: Ultra-Fast Magnetoelectric Devices“ gemacht. Die Regierung könnte bestimmte Rechte an dieser Erfindung haben.
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Hintergrund
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Herkömmliche magnetische RAM (Speicher mit wahlfreiem Zugriff, engl. Random Access Memory) speichern Daten durch Magnetspeicherelemente im Gegensatz zu elektrischer Ladung und Stromflüssen. Herkömmliche Magnetspeicherelemente werden aus mehreren ferromagnetischen Schichten gebildet. Jede der Schichten hat einen Magnetisierungsvektor, der in verschiedene Richtungen, die einen magnetischen Zustand speichern, zeigen kann. Eine dünne nicht-magnetische Schicht (z.B. eine dünne Isolatorschicht oder Metall) trennt die Schichten typischerweise. Falls die nicht-magnetische Schicht ein Metall ist, ist die Struktur als Spinventil bekannt. Falls die nicht-magnetische Schicht eine dünne isolierende Schicht ist, ist die Struktur als magnetischer Tunnelübergang bekannt. Eine der beiden Schichten kann ein Permanentmagnet sein, der auf eine bestimmte Polarität festgelegt ist; ein Feld der anderen Schicht kann geändert werden, um Daten zu speichern.
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Diese Konfiguration ist die einfachste Struktur für ein MRAM bit. Ein typisches magnetisches Speichergerät enthält eine Anordnung von Speicher-„Zellen“. Mit Hilfe eines MRAMs kann ein Benutzer eine erhebliche Menge von Daten speichern. In einer herkömmlichen MRAM Zelle werden magnetische Felder, die durch stromtragende Leitungen (d.h. ein ampersches Feld) in der Nähe der Zellen erzeugt werden, verwendet, um das magnetische Feld (oder die Magnetisierung) in einer der Schichten neu auszurichten, um Daten zu speichern. Dies ist auch als Feld geschalteter MRAM bekannt.
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Gemäß einer neueren herkömmlichen Technik, Spin-Übertragungs-Moment (engl. Spin Transfer Torque, STT) oder Spin-Übertragungs-Schalten (engl. Spin Transfer Switching), werden Spin gerichtete („polarisierte“) Elektronen verwendet, um ein Moment unmittelbar auf die Magnetisierung der Schichten anzuwenden. Falls die Elektronen, die in eine Schicht fließen, ihre Spinrichtung ändern müssen, entsteht dadurch zum Beispiel ein Moment, das auf die nahegelegene Schicht übertragen wird. Dies reduziert die benötigte Strommenge, um die Zellen zu schreiben, signifikant gegenüber einer herkömmlichen Magnetfeld geschalteten MRAM Zelle.
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Es gibt Bedenken, dass der herkömmliche Typ einer MRAM Zelle bei einer hohen Zelldichte aufgrund der großen Strommenge, die während des Schreibens benötigt wird, Schwierigkeiten bekommen wird, ein Problem, das STT überwindet. Aus diesem Grund erwarten die Befürworter von STT, dass die Technik für kleinere Geräte verwendet werden wird. Zum Beispiel könnte Spinkoherenz nicht notwendig sein. Die Geräte müssen kleiner als die Diffusionslänge sein, die bei niedrigen Temperaturen ungefähr 100nm oder größer ist und die einfach zu erreichen ist Ingesamt benötigt STT einen erheblich geringeren Schreibstrom als herkömmliche oder Toggle-MRAM. Forschung in diesem Feld deutet daraufhin, dass der STT-Strom durch die Verwendung einer neuen Kompositstruktur um Größenordnungen reduziert werden kann. Allerdings erfordert eine höhere Betriebsgeschwindigkeit typischerweise höhere Ströme.
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In der
US 5 276 639 A wird ein magnetspeicherelement beschrieben, bei dem eine Leifähigkeit einer Josephson Verbindung abhängig von einer Magnetisierung des Speicherelements beeinflusst wird. Die Magnetisierung des Speicherelements wird über einen Schreib-/Lesestrom beeinflusst.
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Die
US 7 505 310 B2 beschreibt eine Verbindung zwischen Speicherelementen als Passive Transmission Layer (PTL). Hierüber wird ein Speicherzustand über eine Flussquantensignal (SFQ) übertragen. Das Speicherelement wird über ein quantum interference gate (SQUID) angesprochen.
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Die
US 2009/0244958 A1 beschreibt einen Supraleiterspeicher, bei dem das Speicherelement mittels eines Strompulses ausgelesen wird.
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So genannte Spin-Moment-Übertragungs-RAM (STT-RAM) kodieren nichtflüchtige Informationen durch die relative Ausrichtung der Magnetisierung von zwei magnetischen Schichten - einer fixierten und einer freien. Magnetowiderstand ist ein Maß für den Widerstand eines magnetischen Geräts. Ein Wert des Magnetowiderstands hängt von der relativen Ausrichtung der Magnetisierung von zwei oder mehr Schichten ab. Man kann das Gerät dann durch die Bestimmung seines Widerstands auslesen. Wie oben erwähnt, wird dies in heutigen Feld geschalteten MRAMs getan. STT-RAMs unterscheiden sich von herkömmlichen MRAM durch die Verwendung des Moments, das von einem Ensemble von Spin polarisierten Elektronen (oder Löchern) ausgeübt wird, um eine Drehung der freien Schicht durch eine Austauschwechselwirkung mit kurzer Reichweite zu bewirken.
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Dieser herkömmliche Ansatz hat eine Verkleinerung der Gerätegrößen auf deutlich kleinere Dimensionen ermöglicht als es durch die Verwendung von Amperesches-Feld getriebenem Schalten, das in herkömmlichen MRAM zu finden ist, möglich ist. Der Spin polarisierte Strom leitet sich ab von allen magnetischen Schichten in einem Gerät. Der entscheidende Punkt ist, dass, sobald man magnetische Schichten hat und der Strom durch diese magnetischen Schichten strömt, der Strom eine Spin-Polarisierung erlangt.
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Kurze Beschreibung von Ausführungsformen
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Herkömmliche Anwendungen leiden unter einer Anzahl von Mängeln. Zum Beispiel benötigen herkömmliche Anwendungen, wie oben diskutiert, einen erheblichen Strom, um bei höheren Geschwindigkeiten betrieben zu werden. Herkömmliche technische Ausführungen können also exzessiv Energie verbrauchen und zu langsam für bestimmte Anwendungen sein.
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Hier beschriebene Ausführungsformen weichen von herkömmlichen technischen Ausführungen ab. Zum Beispiel ist eine hier beschriebene Ausführungsform auf ein magnetisches Speichersystem gerichtet, das einen Hochgeschwindigkeits-Zugriff auf Magnetspeicherelemente bereitstellt.
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Konkret enthält ein magnetisches Speichersystem gemäß einer Ausführungsform eine Supraleiter-Schaltung und einen oder mehrere Magnetspeicherelemente, um Daten zu speichern. Um auf Daten zuzugreifen (z.B. Lesen und/oder Schreiben), erzeugt die Supraleiter-Schaltung ein magnetisches Signal zur Übertragung über eine Verbindung zwischen der Supraleiter-Schaltung und dem Magnetspeicherelement.
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Das Magnetspeicherelement ist ein Spin-Moment Magnetspeicherelement. Gemäß einem nicht-beschränkenden Beispiel kann die Supraleiter-Schaltung ein Einzelfluss-Leitungstreiber sein; das magnetische Signal kann ein Flussquanten-Signal sein.
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Gemäß noch weiteren Ausführungsformen kann die Supraleiter-Schaltung eine Einzelfiussquanten-Komparatorschaltung sein. Während des Betriebs überwacht die Einzelflussquanten-Komparatorschaltung einen Zustand des Magnetspeicherelements, um gespeicherte Daten abzufragen. Konkret kann die Einzelflussquanten-Komparatorschaltung gemäß einem nicht-beschränkenden Beispiel verwendet werden, um den logischen Zustand von Daten, die in einem entsprechenden Magnetspeicherelement gespeichert sind, zu detektieren. In einer Ausführungsform ist die Einzelflussquanten-Komparatorschaltung eingerichtet, um eine Widerstandsänderung im Magnetspeicherelement zu sensieren, um einen logischen Zustand der entsprechenden gespeicherten Daten zu bestimmen.
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Wie erwähnt, kann das magnetische Signal ein Flussquanten basiertes magnetisches Signal sein. Die Supraleiter-Schaltung kann eine oder mehrere Josephson Übergänge enthalten, um das Quanten basierte Signal zu erzeugen. Gemäß einem nicht-beschränkenden Beispiel kann eine Energiemenge des Quanten basierten Signals, um die Daten in das Magnetspeicherelement zu schreiben, geringer sein als ein Schwellwert von ungefähr 1 × 10-19 Joule oder irgendein geeigneter Wert. Gemäß einen weiteren nicht-beschränkenden Beispiel kann eine Energiemenge des Quanten basierten Signals, um die gespeicherten Daten aus dem Magnetspeicherelement zu lesen, geringer sein als ungefähr 1 × 10-20 Joule.
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Das Magnetspeicherelement kann Spin polarisierendes Material aus Metall enthalten. Zum Beispiel kann das Magnetspeicherelement eines oder mehrere Spin polarisierende Materialien enthalten, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: i) Kobalt, ii) Nickel und iii) Eisen, (iv) Legierungen dieses Elemente wie NiFe (Permalloy), CoFe, CoFeB, (v) Co, Ni oder Fe legiert mit nicht-magnetischen, metallischen Elementen (z.B. Cu, Cr, B). Diese Liste ist nicht notwendigerweise abschließend, da andere geeignete Materialien auch verwendet werden können.
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Gemäß einem weiteren nicht-beschränkenden Beispiel ist die Verbindung zwischen der Supraleiter-Schaltung und dem Magnetspeicherelement eine elektrisch leitende Verbindung, um auf dieser das magnetische Signal von der Supraleiter-Schaltung zum Magnetspeicherelement zu übertragen. In einer Ausführungsform enthält die elektrisch leitende Verbindung eine oder mehre Mikrostreifenleitungen.
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Die Mikrostreifenleitungen kann in einer oder mehreren Schichten eines Hybrid-Elektronik-Halbleiter-Chips, in dem die Supraleiter-Schaltung und das Magnetspeicherelement hergestellt sind, hergestellt werden. Die Supraleiter-Schaltung und das Magnetspeicherelement können also auf demselben Substrat hergestellt werden.
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Hier beschriebene Ausführungsformen können weiterhin mehrere Halbleiter-Chips enthalten. Zum Beispiel kann eine Supraleiter-Schaltung wie eine Einzelflussquanten-Treiberschaltung auf einem ersten Halbleiter-Chip angeordnet sein. Der erste Chip kann eine Mikrostreifenleitung enthalten, die sich von der Treiberschaltung zu einer ersten Kontaktierhügel-Verbindung erstreckt. Die erste Kontaktierhügel-Verbindung stellt weiterhin eine Verbindung zu einem zweiten Halbleiter-Chip bereit. Der zweite Halbleiter-Chip enthält eine Mikrostreifenleitung, die sich von der ersten Hügel-Verbindung und einem auf dem zweiten Halbleiter-Chip angeordneten Magnetspeicherelement erstreckt. Auf diese Art und Weise stellt die erste Kontaktierhügel-Verbindung eine Verbindung zwischen auf dem ersten Halbleiter-Chip und auf dem zweiten Halbleiter-Chip angeordneten Mikrostreifenleitungen her.
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Zu beachten ist, dass hier beschriebene Ausführungsformen weiterhin einen dritten Halbleiter-Chip enthalten können, auf dem sich eine Sensierungsschaltung oder Detektionsschaltung befindet, um Daten aus dem Magnetspeicherelement zu lesen. Die zweite Kontaktierhügel-Verbindung stellt eine Verbindung zwischen dem zweiten Halbleiter-Chip und dem dritten Halbleiter-Chip bereit. Der dritte Halbleiter-Chip enthält eine Mikrostreifenleitung, die sich von der zweiten Hügel-Verbindung und der Sensierungsschaltung auf dem zweiten Halbleiter-Chip erstreckt.
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Jede der einen oder mehreren Mikrostreifenleitungen in dem magnetischen Speichersystem, wie hier diskutiert, kann supraleitend sein. Demnach können die Mikrostreifenleitungen hergestellt sein aus oder supraleitendes Material enthalten, um supraleitenden Mikrostreifen-Verbindungen zu bilden. Jede der Verbindungen, wie hier diskutiert, kann also eine supraleitende Verbindung sein, um auf dieser ein erzeugtes magnetisches Signal von der Supraleiter-Schaltung zum Magnetspeicherelement zu übertragen.
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In einer weiteren Ausführungsform enthält die Supraleiter-Schaltung eine Treiberschaltung wie eine supraleitenden Treiberschaltung, um Daten auf das Magnetspeicherelement zu schreiben. Die Supraleiter-Schaltung kann auch eine Supraleiter-Komparatorschaltung enthalten, um in dem Magnetspeicherelement gespeicherte Daten zu lesen.
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Eine Impedanz des Magnetspeicherelements kann im Wesentlichen an eine Ausgangsimpedanz der Supraleiter-Schaltung angepasst sein. In einer Ausführungsform sind die Impedanzen zwischen 2 und 25 Ohm, obwohl diese Einstellungen in Abhängigkeit der Ausführungsform variieren können. Das Magnetspeicherelement kann ein Spinventil sein, umfassend magnetische und nicht-magnetische metallische Schichten. Die metallischen Schichten ermöglichen eine Impedanzanpassung des Magnetspeicherelements an die supraleitende Treiber- oder Leseschaltung. Strom fließt im Wesentlichen senkrecht zu den Schichtebenen. Wenn die seitliche Ausdehnung des Geräts geringer als 100 Nanometer ist, ist die Impedanz in dem oben spezifizierten Bereich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Magnetspeicherelement ein Spin-Übertragungs-Gerät sein, einschließend einen magnetischen Polarisierer in Bezug zu einer magnetisch schaltbaren Schicht in dem Magnetspeicherelement. Das Gerät kann aus mehreren magnetischen Polarisierungsebenen bestehen. In einer beispielhaften Ausführungsform ist zumindest eine der magnetischen Polarisierungsebenen orthogonal (im Wesentlichen senkrecht) zu der magnetisch schaltbaren Ebene magnetisiert.
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Noch weitere Ausführungsformen enthalten ein Umgebungskontrollsystem, um eine Temperatur der Supraleiter-Schaltung, der Verbindung und des Magnetspeicherelements unterhalb einer Schwellwerttemperatur zu halten, um eine order mehrere Komponenten des magnetischen Speichersystems in einem supraleitenden Zustand zu betreiben.
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Noch weitere Ausführungsformen, wie hier diskutiert, beinhalten Empfangen einer Anfrage, um in einem Spin-Moment-Übertragung Magnetspeicherelement gespeicherte Daten abzufragen; Verwenden einer Einzelflussquanten-Sensierungsschaltung, in Übereinstimmung mit der Anfrage, um eine supraleitende Mikrostreifen-Verbindung zu überwachen, die sich bis zu dem Speicherelement erstreckt; und Detektieren eines Zustand der in dem Spin-Moment-Übertragung Magnetspeicherelement gespeicherten Daten durch die Flussquanten-Sensierungsschaltung,.
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Diese und andere konkrete Ausführungsformen sind unten noch genauer offenbart Wie hier diskutiert, sind hier beschriebene technische Ausführungen gut geeignet für die Verwendung im Bereich der Datenspeicherung in einem magnetischen Speichersystem. Es sollte allerdings beachtet werden, dass hier beschriebene Ausführungsformen nicht auf die Verwendung in solchen Anwendungen beschränkt sind und dass hier offenbarte technische Ausführungen auch für andere Anwendungen geeignet sind.
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Für zusätzliche Details und/oder mögliche Perspektiven der Erfindung(en) wird der Leser auf den detaillierte Beschreibungs-Abschnitt und die korrespondierenden Figuren der vorliegenden Offenbarung, wie weiter unten diskutiert, verwiesen.
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Figurenliste
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Das Vorhergehende und andere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden konkreteren Beschreibung von bevorzugten Hier beschriebene Ausführungsformen, wie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt, in denen sich gleiche Referenzzeichen in allen Ansichten auf die selben Teilen beziehen, ersichtlich. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, stattdessen ist der Schwerpunkt auf der Darstellung der Ausführungsformen, Prinzipien, etc.
- 1 ist eine Beispieldarstellung, die ein magnetisches Speichersystem und verbundene Komponenten gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen zeigt.
- 2A ist eine Beispieldarstellung, die eine Seitenansicht-Darstellung eines magnetischen Speichersystems gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen zeigt.
- 2B ist eine Beispieldarstellung, die eine Draufsicht-Darstellung eines magnetischen Speichersystems gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen zeigt.
- 3 ist eine Beispieldarstellung, die eine Hügel-Verbindung gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen zeigt, die eine Verbindung zwischen auf mehreren Halbleiter-Chips angeordneten Schaltkreisen herstellt.
- 4 ist eine Beispieldarstellung, die ein Magnetspeicherelement zur Verwendung in dem magnetischen Speichersystem gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen zeigt.
- 5 ist eine Beispieldarstellung, die zusätzliche Spin-Übertragungs Magnetspeicherelemente zur möglichen Verwendung in dem magnetischen Speichersystem gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen zeigt.
- 6 ist eine Beispieldarstellung eines Flussdiagramms, die das Schreiben von Daten in ein Magnetspeicherelement gemäß hier beschriebene Ausführungsformen zeigt.
- 7 ist eine Beispieldarstellung eines Flussdiagramms, die das Lesen von in einem Magnetspeicherelement gespeicherten Daten gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
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1 ist eine Beispieldarstellung, die ein magnetisches Speichersystem und verbundene Komponenten gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen zeigt.
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Wie dargestellt, enthält magnetisches Speichersystem 100 gemäß einer Ausführungsform eine Supraleiter-Schaltung 170 (z.B. Supraleiter-Schaltung 170-1 und Supraleiter-Schaltung 170-2) und ein oder mehrere Magnetspeicherelemente 125, um Daten zu speichern.
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Gemäß einem nicht-beschränkenden Beispiel kann die Supraleiter-Schaltung 170 jede geeignete Treiber- und Sensierungsschaltung sein, die ein Quant eines magnetischen Flusses erzeugt.
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Temperatur-Kontroller 105 hält eine Temperatur des magnetischen Speichersystems 100 und korrespondierender Komponenten (z.B. Supraleiter-Schaltung 170, die Verbindung, Magnetspeicherelement 125) unterhalb einer SchwellwertTemperatur, um eine oder mehrere Komponenten des magnetischen Speichersystems 100 in einem supraleitenden Zustand zu betreiben.
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In einer Ausführungsform hält der Temperatur-Kontroller 105 das magnetische Speichersystem bei einer Temperatur unter 10 Grad Kelvin, obgleich ein Temperatur-Einstellpunkt des magnetischen Speichersystems in Abhängigkeit des SupraleiterMaterials, das zur Herstellung der Komponenten in dem magnetischen Speichersystem 100 verwendet wurde, variieren kann.
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Um im allgemeinen auf Daten zuzugreifen, wie durchführen von Schreiben von Daten in das Magnetspeicherelement 125, erzeugt der Leitungstreiber 120 in Supraleiter-Schaltung 170-1 ein magnetisches Signal zur Übertragung über einen entsprechende Verbindung zwischen der Supraleiter-Schaltung 170 und dem gewählten Magnetspeicherelement 125.
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Das Magnetspeicherelement 125 kann eines von mehreren Magnetspeicherelementen in einer Anordnung sein. In solch einem Fall kann der Leitungstreiber 120 geeignete Treiberschaltungen enthalten, die Auswahl und Zugriff auf jedes einzelne Magnetspeicherelement in der Anordnung ermöglichen.
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Zu beachten ist, dass das Magnetspeicherelement jeder geeignete Typ eines auf Magnetismus basierenden Elements, um Daten zu speichern, sein kein.
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Zum Beispiel ist das Magnetspeicherelement 125 in einer Ausführungsform ein Spin-Moment-Magnetspeicherelement.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Magnetspeicherelement 125 ein Spin-Übertragungs-Gerät sein, einschließend einen magnetischen Polarisierer in Bezug zu einer magnetisch schaltbaren Schicht in dem Magnetspeicherelement. Das Spin-Übertragungs-Gerät kann ein Spin-Ventil einbeziehen, das heißt zwei magnetische Schichten mit Magnetisierungsvektoren, die entweder im Wesentlichen parallel oder antiparallel sind. Eine Ausführungsform enthält eine magnetisch polarisierende Schicht, die im Wesentlichen senkrecht zu einer schaltbaren magnetischen Schicht ist.
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Das Magnetspeicherelement 125 kann Spin polarisierendes Material aus Metall enthalten. Zum Beispiel kann das Magnetspeicherelement eines oder mehrere Spin polarisierende Materialien enthalten, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: i) Kobalt, ii) Nickel und iii) Eisen, etc. Es ist nicht beabsichtigt, dass diese Liste abschließend ist, da andere geeignete Materialien auch verwendet werden können.
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Gemäß einem weiteren nicht-beschränkenden Beispiel kann die Supraleiter-Schaltung 170 ein magnetischer Flussquanten-Leitungstreiber sein. Das magnetische Signal erzeugt durch den Leitungstreiber 120, um Daten in dem Magnetspeicherelement 125 zu speichern, kann ein magnetisches Flussquanten-Signal sein. In einer Ausführungsform ist die Supraleiter-Schaltung 170 ein Einzelflussquanten-Leitungstreiber; das magnetische Signal erzeugt durch den Leitungstreiber 120, um Daten in dem Magnetspeicherelement 125 zu speichern, kann ein Einzelflussquanten-Signal sein.
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Supraleiter-Schaltung 170-2 enthält eine Sensierungsschaltung 150, um eine Einstellung des Magnetspeicherelements 125 zu detektieren. In einer Ausführungsform speichert das Magnetspeicherelement 125 digitale Informationen. Das heißt, die in dem Magnetspeicherelement 125 gespeicherten Daten können eine logische Eins oder eine logische Null sein, obgleich es in Abhängigkeit von der Ausführungsform variieren kann, ob das magnetische Speicherelement binäre oder andere Signalinformationen speichert.
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Gemäß einem weiteren nicht-beschränkenden Beispiel kann die Sensierungsschaltung 150, die verwendet wird, um einen Zustand des Magnetspeicherelements 125 zu detektieren, eine magnetische Flussquanten-Komparatorschaltung sein. Während des Betriebs überwacht die Sensierungsschaltung 150 einen Zustand eines gewählten magnetischen Speicherelements 125 in einer entsprechenden Anordnung, um gespeicherte Daten abzufragen.
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Wie erwähnt, kann das magnetische Signal produziert durch den Leitungstreiber 120 ein Einzelflussquanten basiertes magnetisches Signal sein. Der Leitungstreiber 120 der Supraleiter-Schaltung 170-1 kann einen oder mehrere Josephson-Übergänge enthalten, um das Quanten basierte magnetische Signal zu erzeugen, um Daten in das Magnetspeicherelement 125 zu schreiben.
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Gemäß einem weiteren nicht-beschränkenden Beispiel kann eine Energiemenge des Quanten basierten magnetischen Signals produziert durch den Leitungstreiber 120, um Daten in das Magnetspeicherelement zu schreiben, zum Beispiel geringer als ein Schwellwert von 1 × 10-19 joule sein. Obgleich zu beachten ist, dass eine Energie des magnetischen Signals jeden geeigneten Wert haben kann, der in Abhängigkeit von der Ausführungsform variiert.
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Die Sensierungsschaltung 150 der Supraleiter-Schaltung 170-2 kann einen oder mehrere Josephson-Übergänge enthalten, um Lesen von in dem gewählten Magnetspeicherelement in der Anordnung gespeicherten Daten zu ermöglichen.
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Gemäß einem weiteren nicht-beschränkenden Beispiel kann eine Energiemenge des Quanten basierten Signals, um die gespeicherten Daten aus dem Magnetspeicherelement zu lesen, geringer als ungefähr 1 × 10-20 Joule sein, obgleich eine Energie des magnetischen Signals, um Daten zu lesen, jeden geeignete Wert haben kann, der in Abhängigkeit von der Ausführungsform variiert.
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Zumindest ein Teil der Verbindungen 135 (z.B. Verbindung 135-1 und/oder Verbindung 135-2) zwischen dem Leitungstreiber 120 und dem Magnetspeicherelement 125 kann physikalisch sein. Zum Beispiel kann die Verbindung 135-1 eine elektrisch leitende Verbindung sein, um auf dieser ein magnetisches Signal, das durch die Supraleiter-Schaltung produziert wird, zu einem gewählten Magnetspeicherelement (d.h. in diesem Beispiel Magnetspeicherelement 125) zu übertragen.
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Jede der Verbindungen 135 kann eine Mikrostreifenleitung oder mehrere verbundene Mikrostreifenleitungen sein oder enthalten, um eine Verbindung zwischen dem Leitungstreiber 120 und einem gewählten Magnetspeicherelement bereitzustellen. Gemäß einer Ausführungsform können die Verbindungen 135 aus supraleitendem Material hergestellt werden, um die Leistungsaufnahme zu verringern und sehr schnellen Zugriff auf den magnetischen Speicher, der Magnetspeicherelement 125 enthält, bereitzustellen.
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2A ist eine Beispieldarstellung, die eine Seitenansicht-Darstellung eines magnetischen Speichersystems gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen zeigt.
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2B ist eine Beispieldarstellung, die eine Draufsicht-Darstellung eines magnetischen Speichersystems gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen zeigt.
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Gemäß einem nicht-beschränkenden Beispiel kann das magnetische Speichersystem 100 durch die Verwendung von mehreren verbundenen Halbleiter-Chips hergestellt werden. Zum Beispiel kann die Supraleiter-Schaltung 170-1 ein erster Halbleiter-Chip sein, enthaltend einen Leitungstreiber 120. Magnetisches Speichergerät 250 kann ein zweiter Halbleiterchip sein, enthaltend eine Anordnung von Magnetspeicherelementen, um Daten zu speichern. Supraleiter-Schaltung 170-2 kann ein dritter Halbleiter-Chip sein ermöglichend einen Zugriff auf die Magnetspeicherelemente im magnetischen Speichergerät 250.
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Magnetisches Speichergerät 250 und/oder Magnetspeicherelement 125 können ein Feldgröße geschalteter Speicher oder Toggle-Typ RAM (Random Access Memory) Speichergerät sein. Ein Toggle-Typ Magnetspeicherelement hat eine magnetische Speicherschicht, die zwischen den Speicherzustände schaltet, sobald ein Schreibsignal angelegt wird. Ein Schreibsignal ändert dann stets den Speicherzustand, so dass mehrere Schreibsignale benötigt werden, um die magnetische Speicherschicht in ihren Ursprungszustand zurückzuführen. Wie unten diskutiert, kann das magnetische Speichergerät 250 ein Spin-Übertragungs-Magnetspeicherelement sein.
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Leitungstreiber 120 kann eine magnetische Flussquanten-Treiberschaltung sein, die auf dem ersten Halbleiter-Chip (d.h. Supraleiter-Schaltung 170-1) angeordnet ist. In einer Ausführungsform erzeugt der Leitungstreiber 120 mehrere Einzelflussquanten-Pulse, um Daten in einen oder mehrere bestimmte Magnetspeicherelemente zu schreiben.
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Wie weiter gezeigt, erstreckt sich Mikrostreifenleitung 235-1 vom Leitungstreiber 120 (d.h. einer Leitungstreiber-Schaltung) zu Kontakt 281-2 einer Kontaktierhügel-Verbindung 280. Der Kontakt 281-2 der Kontaktierhügel-Verbindung 280 stellt eine elektrische Verbindung der Mikrostreifenleitung 235-1 zu der X-Achsen Mikrostreifenleitung 245-1 in dem magnetischen Speichergerät 250 bereit.
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Es ist zu beachten, dass Kontakt 282-2, wie gezeigt, im Wesentlichen im Zentrum mehrerer Kontakte 281-1, 281-3, 281-4 und 281-5 angeordnet sein kann. Zentrumskontakt 281-2 trägt ein entsprechendes Signal und ist eine Signalleitung; die umgebenden Kontakte 281-1, 281-3, 281-4 und 281-5 können auf ein Signal wie Masse festgelegt sein.
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In diesem Beispiel enthält das magnetische Speichergerät 250 ferner eine Mikrostreifenleitung 245-1, die sich von dem Kontakt 281-2 zur Mikrostreifenleitung 245-1 erstreckt. Mit anderen Worten erstreckt sich Mikrostreifenleitung 245-1 vom Kontakt 281-2 zur Mikrostreifenleitung 245-1.
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Mikrostreifenleitung 245-1 kann sich vom Kontakt 281-2 auf einer X-Achse vorbei an oder unmittelbar kontaktierend zu Magnetspeicherelement 125 erstrecken.
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Eine Kombination der Mikrostreifenleitung 235-1, Kontakt 281-2 und Mikrostreifenleitung 245-1 repräsentiert Verbindung 135-1 zwischen dem Leitungstreiber 120 und Magnetspeicherelement 125, wie gezeigt und diskutiert in 1.
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Wieder gemäß 2, kann das magnetische Speichersystem 100, wie gezeigt, eine komplementäre Schaltung (z.B. im Wesentlichen diesselbe wie der X-Achsen Treiber wie hier diskutiert) enthalten, um die Y-Achse assoziiert mit Magnetspeicherelement 125 zu treiben.
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Exakte Zeiteinteilung der magnetischen Signalerzeugung auf den X-Achsen und Y-Achsen Mikrostreifenleitungen ermöglicht dem Leitungstreiber 120, Daten in das gewählte Magnetspeicherelement 125 zu schreiben.
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Es ist zu beachten, dass das magnetische Speichersystem 100 irgendeine Anzahl von Paaren von X- und Y-Leitungstreibern enthalten kann, um Daten in die Magnetspeicherelemente angeordnet in dem magnetischen Speichergerät 250 zu schreiben.
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Eine Ausgangsimpedanz des Leitungstreibers 120 in der Supraleiter-Schaltung 170-1, die das Magnetspeicherelement 125 treibt, kann im Wesentlichen an eine Impedanz des Magnetspeicherelements 125 angepasst sein. In einer Ausführungsform sind die angepassten Impedanzen zwischen 2 und 25 Ohm, obgleich die Impedanzen jeden geeigneten Wert haben können.
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Als ein weiteres Beispiel kann die Impedanz des Magnetspeicherelements einen Wert von 7 Ohm haben. In einem solchen Fall beinhaltet eine Impedanzanpassung das Anpassen der Ausgangsimpedanz des Leitungstreibers 120 auf im Wesentlichen oder ungefähr 7 Ohm.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Ausgangsimpedanz des Leitungstreibers 10 Ohm sein. Impedanzanpassung kann das Anpassen der Impedanz des Magnetspeicherelements in der Anordnung auf im Wesentlichen 10 Ohm beinhalten.
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Hier beschriebene Ausführungsformen beinhalten demnach ein relativ niederohmiges Magnetspeicherelement Entweder können beide angepasst werden oder die Impedanz des Magnetspeicherelements kann angepasst werden oder die Ausgangsimpedanz des Leitungstreibers kann angepasst werden, um Anpassung wie hier diskutiert bereitzustellen.
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Wie erwähnt kann Supraleiter-Schaltung 170-1 ein Halbleiter-Chip sein, enthaltend Leitungstreiber 120 und verbundene Schaltkreise, die darauf angeordnet sind. In dieser Beispielausführungsform wird zumindest ein Teil der Verbindung 135-1 durch Mikrostreifenleitung 235-1 repräsentiert; zumindest ein Teil der Verbindung 135-2 wird durch Mikrostreifenleitung 252-2 repräsentiert.
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Um Hochgeschwindigkeits-Zugriffe auf gewählte Magnetspeicherelemente wie gewähltes Magnetspeicherelement 125 in einer Anordnung von Magnetspeicherelementen, die in einem magnetischen Speichergerät 250 angeordnet sind, zu ermöglichen, können die Mikrostreifenleitungen 235 (z.B. Mikrostreifenleitung 235-1, Mikrostreifenleitung 235-2, etc.) aus supraleitenden Material hergestellt sein. Das heißt, die Mikrostreifenleitungen 235 können aus supraleitendem Material hergestellt sein oder supraleitendes Material enthalten, um supraleitende Mikrostreifenverbindungen zu bilden. Es ist daran zu erinnern, dass das magnetische Speichersystem 100 durch den Temperatur-Kontroller 105 auf Temperaturen unter einem Schwellwert gekühlt werden kann. Jede der Verbindungen 135 kann somit eine sehr niederohmige supraleitende Verbindung (z.B. im Wesentlichen Null-Widerstand) sein, um auf dieser das magnetische Signal, das vom Leitungstreiber 120 produziert wird, zum gewählten Magnetspeicherelement 125 zu übertragen.
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Verwendung von supraleitenden Mikrostreifenleitungen ist nützlich aufgrund von niedriger Leistungsaufnahmen und niedrigen Pulsausbreitungsverzögerungen. Das heißt, die Quantensignale breiten sich im Wesentlichen mit der Geschwindigkeit von Licht auf einen im Wesentlichen Null-Impedanz Substrat.
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Wie erwähnt, können hier beschriebene Ausführungsformen einen dritten Halbleiter-Chip enthalten, auf dem sich Sensierungsschaltung 150 befindet, um in Magnetspeicherelementen des magnetischen Speichergeräts 250 gespeicherte Daten zu lesen. Gemäß einer solchen Ausführungsform stellt Kontaktierhügel-Verbindung 290 eine Verbindung zwischen dem zweiten Halbleiter-Chip (z.B. magnetisches Speichergerät 250) und einem dritten Halbleiter-Chip (z.B. Supraleiter-Schaltung 170-2) bereit.
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Konkreter enthält magnetisches Speichergerät 250 eine Mikrostreifenleitung 245-2, die sich vom gewählten Magnetspeicherelement 125 zu Kontakt 291-2 erstreckt. Die Supraleiter-Schaltung 170-2 enthält ferner eine Mikrostreifenleitung 235-2, die sich vom Kontakt 291-2 der Kontaktierhügel-Verbindung 290 zur Sensierungsschaltung 150 erstreckt.
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In einer Ausführungsform ist die Sensierungsschaltung 150 ein magnetischer Flussquanten-Komparator, enthaltend eine oder mehrere Josephson-Übergänge, die ein Lesen der Daten aus dem gewählten Magnetspeicherelement 125 ermöglichen.
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Die Sensierungsschaltung 150 kann ein Einzelflussquanten-Komparator sein.
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Als eine Alternative zu der Mehr-Chip Lösung, die Schaltkreise auf jedem von mehreren Halbleiter-Chips enthält, die durch Kontaktierhügel-Verbindungen miteinander verbunden sind, ist zu beachten, dass eine einzelne Mikrostreifenleitung in einer oder mehreren Schichten auf einem elektronischen Hybid-Halbleiter-Chip hergestellt werden kann, auf dem sich die Supraleiter-Schaltung 170-1, Supraleiter-Schaltung 170-2 und die Anordnung der Magnetspeicherelement befinden. Das heißt, die Supraleiter-Schaltungen 170-1 und 170-2 und das magnetische Speichergerät 250 können auf demselben Substrat hergestellt werden. In solch einer Ausführungsform besteht keine Notwendigkeit für die Kontaktierhügel-Verbindungen 280 und 290, weil die mit den Supraleiter-Schaltungen 170 und magnetischem Speichergerät 250 assoziierten Schaltkreise auf einer gemeinsamen Oberfläche angeordnet sind.
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3 ist eine detaillierte beispielhafte Seitenansicht-Darstellung, die eine Hügel-Verbindung zeigt, um durch diese eine Verbindung zwischen auf mehreren Halbleiter-Chips angeordneten Schaltkreisen gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen bereitzustellen.
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Wie zuvor diskutiert, enthält Kontaktierhügel-Verbindung 280 Kontakte 280-1, 281-2, 281-3, 281-4 und 281-5. Wie auch zuvor diskutiert, sind Kontakte 280-1, 281-3, 281-4 und 281-5 nachbarschaftlich um Zentrumskontakt 281-2 angeordnet.
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Jeder der Kontakte 281 ist aus einem geeigneten supraleitenden Material hergestellt und ist elektrisch leitend. Jedes der Elemente 311-1, 311-2, 321-1 und 321-2 ist aus einem geeigneten supraleitenden Material hergestellt und ist elektrisch leitend.
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In dieser gezeigten Beispielausführungsform, enthält Supraleiter-Schaltung 170-1 Masseplatte 310, die zumindest auf einem Teil von Oberfläche 350-1 der Supraleiter-Schaltung 170-1 angeordnet ist. Magnetisches Speichergerät 250 enthält Masseplatte 320, die zumindest auf einem Teil von Oberfläche 350-2 des magnetischen Speichergeräts 250 angeordnet ist.
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Ein Trägermaterial (z.B. ein nicht elektrisch leitendes Material) ist zwischen der Mikrostreifenleitung 235-1 und der Masseplatte 310 angeordnet. In gleicher Weise ist ein Trägermaterial (z.B. ein nicht elektrisch leitendes Material) zwischen der Mikrostreifenleitung 335-1 und der Masseplatte 320 angeordnet.
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Jeder der Kontakte 281-1, 281-3, 281-4 und 281-5 stellt zumindest einen teilweisen elektrischen Pfad zwischen Masseplatte 310 auf Oberfläche 350-1 und Masseplatte 350-2 angeordnet auf Oberfläche 350-2 bereit.
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Jedes der Elemente 311-1, 311-2, 321-1, 321-2, etc. ist ebenfalls elektrisch leitend. Diese Elemente 311-1, 311-2, etc. und Elemente 321-1, 321-2 bilden ebenfalls einen Teil eines Pfads, der eine elektrische Verbindung zwischen Masseplatte 310 auf Oberfläche 350-1 und Masseplatte 350-2, die auf Oberfläche 350-2 angeordnet ist, bereitstellt.
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Konkreter ist ein erstes Ende des Elements 321-1, wie gezeigt, mit Masseplatte 320, die auf Oberfläche 350-2 angeordnet ist, verbunden; ein zweites Ende des Elements 321-1 ist mit Kontakt 281-1 verbunden. Ein erstes Ende des Elements 311-1 ist mit Masseplatte 310 verbunden; ein zweites Ende des Elements 311-1 ist mit Kontakt 281-1 verbunden.
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Die Kombination von Element 321-1, Kontakt 281-1 und Element 311-1 bildet einen elektrisch leitenden Pfad zwischen Masseplatte 320 und Masseplatte 310.
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In einer Ausführungsform ist die Kombination der Komponenten, enthaltend Element 311-1, Kontakt 281-1 und Element 321-1, im Wesentlichen säulenförmig.
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Außerdem ist zu beachten, dass ein erstes Ende des Elements 321-2 mit Masseplatte 320, die auf Oberfläche 350-2 angeordnet ist, verbunden ist; ein zweites Ende des Elements 321-2 ist mit Kontakt 281-3 verbunden. Ein erstes Ende des Elements 311-2 ist mit Masseplatte 310 verbunden; ein zweites Element des Elements 311-2 ist mit Kontakt 281-3 verbunden. Demnach bildet die Kombination von Element 321-2, Kontakt 281-3 und Element 311-2 einen elektrisch leitenden Pfad zwischen Masseplatte 320 und Masseplatte 310. Wie oben diskutiert, kann die Kombination der Komponenten säulenförmig sein.
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In gleicher Weise bildet jeder der Kontakte, der hinter Kontakt 281-2 und Kontakt 281-3 liegt, einen Teil einer säulenförmigen Verbindung zwischen der Masseplatte 310 und der Masseplatte 320.
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Wie zuvor diskutiert, trägt der Kontakt 281-2 das Signal und stellt eine Verbindung vom Ende der Mikrostreifenleitung 235-1 zum Ende der Mikrostreifenleitung 335-1 bereit. Die Enden des Kontakts 281-2 erstrecken sich nicht bis zu den Masseplatten 310 und 320.
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Gemäß einem nicht beschränkenden Beispiel kann jede Kontaktierhügel-Verbindung 280 und 290 optimiert werden, um den Betrieb bei einer gewünschten Frequenz zu unterstützen. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform jeder Kontakt 281, 291, etc. ungefähr 30 bis 60 Mikrometer breit und 1 bis 2 Mikrometer hoch sein. Es ist zu beachten, dass dies nur Beispielwerte sind; die Dimensionen der Kontakte, Elemente, Mikrostreifenleitungen, etc. kann jeden geeigneten Wert haben und in Abhängigkeit von der Ausführungsform variieren.
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4 ist eine Darstellung, die ein Beispiel eines Magnetspeicherelements für eine mögliche Verwendung in dem magnetischen Speichersystem gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen darstellt.
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In einer Ausführungsform ist das Magnetspeicherelement 125 ein Spin-Übertragungs Magnetspeicherelement 125-ST1. Das Spin-Übertragungs Magnetspeicherelement 125-ST1 enthält drei magnetische Schichten: eine senkrecht magnetisierte Spin polarisierende Schicht (FM1), eine schaltbare magnetische Schicht (FM2) und eine Referenzschicht (FMref).
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Sowohl Schicht FM1 als auch Schicht FMref können Spin polarisierende Schichten sein. Der logische Zustand des Magnetspeicherelements ist abhängig davon, ob Schicht FM2 größtenteils parallel oder antiparallel zur Magnetisierung der Referenzschicht FMref magnetisiert ist. Schichten NM1 und NM2 können nicht-magnetische Schichten sein. Solche Schichten können aus Metall oder dünnen isolierenden Schichten (d.h. Tunnelbarrieren) hergestellt sein.
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Um das Spin-Übertragungs Magnetspeicherelement 125-ST1 mit der Supraleiter-Schaltung 170 zu integrieren - das heißt für das Spin-Übertragungs Magnetspeicherelement eine ausreichend niedrige Impedanz zu haben, können die Schichten NM1 und NM2 aus Metall hergestellt sein. Das Spin-Übertragungs Magnetspeicherelement wäre dann ein Spinventil. Falls die Schicht NM2 oder Schicht NM1 ein Isolatormaterial ist, wird das Spin-Übertragungs Magnetspeicherelement als ein magnetischer Tunnelübergang bezeichnet.
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5 ist eine Beispieldarstellung, die verschiedene Typen von Spin-Übertragungs Magnetspeicherelementen für die mögliche Verwendung in einer Ausführungsform des magnetischen Speichersystems, wie hier beschrieben, darstellen.
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Wie gezeigt, enthält jedes der Magnetspeicherelemente 125-ST2 und 125-ST3 (z.B. STT-RAM Säulen mit kollinearer Magnetisierung) zwei magnetische Schichten: Schicht FM1 und Schicht FM2.
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In einer Ausführungsform ist die Schicht FM2 eine schaltbare magnetische Schicht, die Schicht in der Informationen gespeichert werden. Die Magnetisierung m der freien Schicht (d.h. Schicht FM2) und die polarisierende Magnetisierung mp der Schicht FM1 sind durch eine nicht-magnetische Schicht NM1 getrennt.
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Wie gezeigt, hat das Spin-Übertragungs Magnetspeicherelement 125-ST2 eine in der Ebene liegende Orientierung, das Spin-Übertragungs Magnetspeicherelement 125-ST3 hat eine senkrechte Orientierung.
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Weitere Funktionalitäten, die durch die verschiedenen Ressourcen unterstützt werden, werden nun mit Hilfe von Flussdiagrammen in 6 und 7 diskutiert. Es ist zu beachten, dass die Schritte in den unten stehenden Flussdiagrammen in jeder geeigneten Reihenfolge ausgeführt werden können.
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6 ist ein Flussdiagramm 400, das ein Beispiel eines Verfahrens zum Zugreifen auf ein Magnetspeicherelement gemäß den Ausführungsformen darstellt. Es ist zu beachten, dass es einige Überschneidungen im Hinblick auf die Konzepte, wie oben diskutiert, geben wird.
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In Schritt 410 hält Temperaturkontroller 105 eine Temperatur der Komponenten, die den Leitungstreiber 120, Verbindung 135 und Magnetspeicherelement 125 einschließen, unterhalb einer Schwellwerttemperatur, um eine oder mehrere Komponenten des magnetischen Speichersystems 100 in einem supraleitenden Zustand zu betreiben.
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In Schritt 420 erhält das magnetische Speichersystem 100 eine Anfrage, um Daten, die in Magnetspeicherelement 125 gespeichert sind, zu modifizieren.
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In Schritt 430 verwendet das magnetische Speichersystem 100, in Übereinstimmung mit der Anfrage, Leitungstreiber 120, um ein magnetisches Flusssignal zu erzeugen.
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In Schritt 440 überträgt das magnetische Speichersystem 100 das magnetische Flusssignal über die Verbindung 135-1, um Daten in das Magnetspeicherelement 125 zu schreiben.
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7 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispielverfahren gemäß Ausführungsformen darstellt Es ist zu beachten, dass es einige Überschneidungen im Hinblick auf die Konzepte, wie oben diskutiert, geben wird.
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In Schritt 510 hält der Temperaturkontroller 105 eine Temperatur der Komponenten, die die Sensierungsschaltung, Verbindung 135-2 und ein Magnetspeicherelement 125 einschließen, unterhalb einer Schwellwerttemperatur, um eine oder mehrere Komponenten des magnetischen Speichersystems 100 in einem supraleitenden Zustand zu betreiben.
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In Schritt 520 erhält das magnetische Speichersystem 100 eine Anfrage, um Daten, die in dem Magnetspeicherelement 125 gespeichert sind, abzufragen.
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In Schritt 530 verwendet das magnetische Speichersystem 100, in Übereinstimmung mit der Anfrage, Sensierungsschaltung 150, um ein magnetisches Signal auf der Verbindung 135-2, die sich zum Magnetspeicherelement 125 erstreckt, zu überwachen.
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In Schritt 540 detektiert das magnetische Speichersystem 100 mit Hilfe der Sensierungsschaltung 150 wie eine Flusskomparator-Schaltung einen Zustand des Magnetspeicherelements 125.
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Es ist erneut zu beachten, dass hier beschriebene technische Ausführungen für die Verbreitung von Informationen, die auf unterschiedlichen Qualitätsstufen codiert sind, in einer Netzwerkumgebung gut geeignet sind. Allerdings ist zu beachten, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen nicht auf die Verwendung in solchen Anwendungen beschränkt sind und dass die hier diskutierten technischen Ausführungen auch für andere Anwendungen gut geeignet sind.
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Obwohl in diesem Beispiel nicht gezeigt, werden die Fachleute verstehen, dass das Computersystem andere Prozesse und/oder Software- und Hardwarekomponenten enthalten kann, die in dieser Darstellung ausgelassen wurden, um die Beschreibung der Erfindung zu vereinfachen.
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Durch die Gesamtheit der vorliegenden Offenbarung werden die Artikel „ein“, „eine“ oder „einen“ der Einfachheit halber verwendet, um ein Nomen zu modifizieren, und sollen so verstanden werden, dass sie eins oder mehr als eins der modifizierten Nomen enthalten, es sei denn es ist ausdrücklich anders festgelegt.
