JP5904405B2 - Nonvolatile logic integrated circuit - Google Patents

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Description

本発明は、不揮発性論理集積回路に関し、特にスピントロニクス論理集積回路に関する。   The present invention relates to a nonvolatile logic integrated circuit, and more particularly to a spintronic logic integrated circuit.

今日の情報通信技術は、電子の電荷を利用する半導体デバイス技術と、電子のスピンを利用する磁気デバイス技術が別々に技術開発されてきた。近年はそれぞれの技術が成熟度が増し、半導体デバイスの情報処理性能や、磁気デバイスの情報蓄積能力といった限界の壁にぶつかりつつある。この限界を解決するために、電子の電荷の自由度とスピンの自由度の両方を利用した相乗効果により、この限界を打破しようというスピントロニクス技術が注目されている。   Today's information communication technology has been developed separately for semiconductor device technology using electron charge and magnetic device technology using electron spin. In recent years, the maturity of each technology has increased, and the limits of the information processing performance of semiconductor devices and the information storage capability of magnetic devices are being hit. In order to solve this limitation, attention has been paid to a spintronics technology that attempts to overcome this limitation by a synergistic effect using both the degree of freedom of charge of electrons and the degree of freedom of spin.

スピントロニクス素子の代表例が磁気抵抗素子(MTJ素子)である。典型的なMTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子においては、磁化が一方向に固定された固定磁性層と、二方向に磁化方向が変化する自由磁性層を用い、これら磁性層の間にトンネルバリア層が形成される。1ビットの情報(0/1)は、自由磁性層の磁化に割り当てられ、二枚の磁性層の磁化が互いに並行(同じ向き)になる場合、トンネルバリア層を通過するトンネル電流が増加し(低抵抗状態)、逆に反平行(反対の向き)になる場合、トンネル電流は減少(高抵抗状態)する性質を利用して情報を取り出すことができる。MTJ素子にある一定以上の磁場を印加する、あるいはスピン偏極電流を流すことにより、自由磁性層の磁化方向を反転させることで1ビットの情報を書き換える。   A typical example of the spintronic element is a magnetoresistive element (MTJ element). In a typical MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element, a fixed magnetic layer whose magnetization is fixed in one direction and a free magnetic layer whose magnetization direction changes in two directions are used, and a tunnel barrier layer is interposed between these magnetic layers. It is formed. 1-bit information (0/1) is assigned to the magnetization of the free magnetic layer, and when the magnetizations of the two magnetic layers are parallel to each other (in the same direction), the tunnel current passing through the tunnel barrier layer increases ( In the case of a low resistance state) and antiparallel (in the opposite direction), information can be extracted by utilizing the property that the tunnel current decreases (high resistance state). One-bit information is rewritten by inverting the magnetization direction of the free magnetic layer by applying a magnetic field of a certain level or higher to the MTJ element or by passing a spin-polarized current.

このスピントロニクスの分野では、MTJ素子を半導体デバイスに応用し、DRAMに変わる大容量で高速、かつ不揮発性を兼ね備えた従来に存在しない性能を実現できる可能性のある磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)が実用化段階に入っている。MRAMは従来の半導体メモリを不揮発化しようという試みであるが、さらに従来の論理回路にもMTJ素子を組み込んで演算機能と不揮発メモリ機能を同時に実現しようという試みも盛んである。   In this field of spintronics, MTJ elements are applied to semiconductor devices, and magnetic random access memory (MRAM) that can realize unprecedented performance with high capacity, high speed, and non-volatility, which can replace DRAM, is practical. Is in the process of becoming MRAM is an attempt to make a conventional semiconductor memory non-volatile. However, an attempt to simultaneously realize an arithmetic function and a non-volatile memory function by incorporating an MTJ element in a conventional logic circuit is also active.

例えば、非特許文献1でMTJ素子が持つビット情報と、電圧で入力されるビット情報とを論理演算するスピントロニクスの要素論理回路(以下、スピントロニクス論理ゲートと称す)が開示されている。図12は、スピントロニクス論理ゲートの基本構成図を示している。本回路は、パストランジスタ論理回路部、プリチャージ・トランジスタ(M2、M3)、増幅回路(M0、M1、M4、M5)、MTJ素子(RX、R/X)、出力バッファから成っている。ここで、2つのMTJ素子は1ビットの情報を互いに相補の抵抗状態に割り付けられる。例えば、X=0の場合は、RXは低抵抗状態(RL)でR/Xは高抵抗状態(RH)であり、逆にX=1の場合は、RXは高抵抗状態(RH)でR/Xは低抵抗状態(RL)となる。パストランジスタ論理回路は、入力情報とMTJ素子の情報とで論理演算される真理値表に従って、様々な形態をとり得る。例えば、図13(a)は加算回路として機能するパストランジスタ論理回路の一例を示しており、その真理値表は図13(b)のようになる。   For example, Non-Patent Document 1 discloses a spintronics elemental logic circuit (hereinafter referred to as a spintronics logic gate) that performs a logical operation on bit information of an MTJ element and bit information input by voltage. FIG. 12 shows a basic configuration diagram of a spintronic logic gate. This circuit includes a pass transistor logic circuit section, precharge transistors (M2, M3), amplifier circuits (M0, M1, M4, M5), MTJ elements (RX, R / X), and an output buffer. Here, two MTJ elements are assigned 1-bit information to complementary resistance states. For example, when X = 0, RX is in a low resistance state (RL) and R / X is in a high resistance state (RH). Conversely, when X = 1, RX is in a high resistance state (RH) and R / X is in a low resistance state (RL). The pass transistor logic circuit can take various forms according to a truth table that is logically operated with input information and information of the MTJ element. For example, FIG. 13A shows an example of a pass transistor logic circuit that functions as an adder circuit, and its truth table is as shown in FIG.

次に、スピントロニクス論理ゲートの基本動作について説明する。クロック信号(CLK)がLレベルの時は、トランジスタM0、M2、M3がオン、M1がオフとなるプリチャージ動作である。すなわち、端子y、/yともにVddにプリチャージされ、MTJ素子と容量CLは電気的に切断され、CLの電荷を放電する。CLKがHレベルの時は、トランジスタM0、M2、M3がオフ、M1がオンとなって論理演算動作を行う。具体的には、端子y、/yの寄生容量に充電された電荷はパストランジスタ回路、MTJ素子を介して容量CLに充電される。この時、パストランジスタとMTJ素子で形成される電流パスにおいて、RXの電流パスとR/Xの電流パスにおける時定数が異なるので端子yと/yには微小な電位差が生じる。この電位差は、トランジスタM4、M5の正帰還によって増幅され、後段の出力バッファによって論理振幅まで増幅される。この様に、スピントロニクス論理回路は、CMOS論理回路に比べてトランジスタ数と、貫通電流の原因である短絡回路の形成を大きく削減できるので低消費電力である。   Next, the basic operation of the spintronic logic gate will be described. When the clock signal (CLK) is at the L level, the precharge operation in which the transistors M0, M2, and M3 are turned on and M1 is turned off. That is, both the terminals y and / y are precharged to Vdd, the MTJ element and the capacitor CL are electrically disconnected, and the charge of CL is discharged. When CLK is at the H level, the transistors M0, M2, and M3 are turned off and M1 is turned on to perform a logic operation. Specifically, the charges charged in the parasitic capacitances at the terminals y and / y are charged into the capacitor CL via the pass transistor circuit and the MTJ element. At this time, in the current path formed by the pass transistor and the MTJ element, since the time constants in the RX current path and the R / X current path are different, a small potential difference is generated between the terminals y and / y. This potential difference is amplified by the positive feedback of the transistors M4 and M5, and is amplified to the logic amplitude by the output buffer at the subsequent stage. As described above, the spintronics logic circuit consumes less power than the CMOS logic circuit because the number of transistors and the formation of a short circuit that causes a through current can be greatly reduced.

このような様々なスピントロニクス論理ゲートが複雑に結線されて、より大規模で複雑な演算を、従来のCMOS回路に比べて小面積で、且つ省電力で実現することができる。さらに、論理回路内部の論理情報は不揮発性であるので、電源切断前の演算結果が消失しない。よって、データバスにおける情報の転送量を削減できることによる高性能化と省電力化や、電源を高頻度に切断して近年増加の一途をたどる非動作時のリーク電流をゼロにでき、従来実現が困難であった低電力設計を可能にする技術としても期待されている。   Such various spintronic logic gates are connected in a complicated manner, so that a large-scale and complicated operation can be realized with a small area and power saving as compared with a conventional CMOS circuit. Furthermore, since the logic information inside the logic circuit is non-volatile, the calculation result before power off is not lost. Therefore, high performance and low power consumption can be achieved by reducing the amount of information transferred on the data bus, and the leakage current during non-operation, which has been increasing in recent years by frequently disconnecting the power supply, can be reduced to zero. It is also expected as a technology that enables low power design, which was difficult.

“Fabrication of a Nonvolatile Full Adder Based on Logic−in−Memory Architecture Using Magnetic Tunnel Junctions”,Applied Physics Express 1 091301, 2008.“Fabrication of a Nonvolatile Full Adder Based on Logic-in-Memory Architecture Using Magnetic Junction Junctions”, Applied Physics Exp.

以上説明したスピントロニクス論理ゲートの動作方法は、論理演算する前にプリチャージ動作を行う必要がある。この動作制約は従来のCMOS論理回路には無い特徴であり、従来と同じ手法で回路設計を行うことは容易ではない。例えば、図14に示すように、演算結果が正しく出力される時間はCLKがHレベルの期間中だけであり、出力がHレベルに固定化されるプリチャージ期間中は、他の論理ゲートの論理演算に用いることができない。また、論理演算期間中にパストランジスタ回路への入力信号が変化すると電流パスが変化して出力信号(論理演算結果)が変化してしまう恐れがある。すなわち、図14に示すように、CLKがHレベルの論理演算期間中は入力信号が確定したままであることが望ましい。回路設計者はこの動作制約を考慮する必要があるため、回路設計に膨大な工数をかけなければならなかった。   The operation method of the spintronic logic gate described above needs to perform a precharge operation before performing a logical operation. This operation restriction is a feature that is not found in the conventional CMOS logic circuit, and it is not easy to design a circuit by the same method as the conventional one. For example, as shown in FIG. 14, the time for which the operation result is correctly output is only during the period when CLK is at the H level, and during the precharge period when the output is fixed at the H level, It cannot be used for calculation. Further, if the input signal to the pass transistor circuit changes during the logical operation period, the current path may change and the output signal (logical operation result) may change. That is, as shown in FIG. 14, it is desirable that the input signal remains fixed during the logical operation period when CLK is at the H level. Since the circuit designer needs to consider this operation restriction, the circuit design has to be enormous.

また、これらの動作制約によって、クロック周期あたりに論理演算できるスピントロニクス論理ゲートに段数は1段のみである欠点が生ずる。このため、CMOS論理回路では1クロックサイクルでできる演算が、スピントロニクス論理回路では複数のクロックサイクルを要するために実効的な演算速度が低下する課題が生じていた。例えば、8ビット加算器の設計を考えると、下位ビットからのキャリーはパイプライン動作的にクロック周期毎に伝播されることになるので加算結果を得るのに最低でも8サイクルを要してしまう。   In addition, due to these operation restrictions, there is a disadvantage that the number of stages is only one in the spintronics logic gate capable of performing logical operation per clock cycle. For this reason, an operation that can be performed in one clock cycle in a CMOS logic circuit requires a plurality of clock cycles in a spintronics logic circuit, which causes a problem that an effective operation speed is reduced. For example, when considering the design of an 8-bit adder, a carry from a lower bit is propagated every clock cycle in a pipeline operation, so that at least 8 cycles are required to obtain an addition result.

本発明の目的は、ラッチ回路が付加された要素回路を備える不揮発性論理集積回路において、互いに異なる波形パラメータの制御信号で演算動作を行う不揮発性論理集積回路を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a non-volatile logic integrated circuit that performs an arithmetic operation with control signals having different waveform parameters in a non-volatile logic integrated circuit including an element circuit to which a latch circuit is added.

本発明の他の目的は、上述した課題の少なくとも一つを解決するため、要素回路を備える不揮発性論理集積回路において、互いに異なる波形パラメータの制御信号で演算動作を行う不揮発性論理集積回路を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a non-volatile logic integrated circuit that performs arithmetic operations with control signals having different waveform parameters in a non-volatile logic integrated circuit including element circuits in order to solve at least one of the above-described problems. There is to do.

上述した課題を解決するため、本発明の一態様は、抵抗変化素子を含み、該抵抗変化素子の抵抗値が論理演算に使われる複数の要素回路と、前記複数の要素回路に付加され、各要素回路の演算結果をラッチして一時的に保持するラッチ回路と、を備え、各要素回路は互いに異なる波形パラメータの制御信号によって演算動作が行われる不揮発性論理集積回路を提供する。   In order to solve the above-described problem, one embodiment of the present invention includes a resistance change element, and a resistance value of the resistance change element is added to the plurality of element circuits used for a logical operation, and the plurality of element circuits, And a latch circuit that latches and temporarily holds the operation result of the element circuit, and each element circuit provides a non-volatile logic integrated circuit in which an operation is performed by a control signal having a different waveform parameter.

また、本発明の他の態様は、抵抗変化素子を含み、該抵抗変化素子の抵抗値が論理演算に使われる複数の要素回路を備える不揮発性論理集積回路であって、前記複数の要素回路は、第1の制御信号により演算動作する第1の要素回路と、該第1の要素回路の後段に接続され、第2の制御信号により演算動作する第2の要素回路から構成され、前記第2の制御信号は、前記第1の制御信号よりも小さいデューティ比を有し、各要素回路が異なるタイミングで演算動作を開始する不揮発性論理集積回路を提供する。   Another aspect of the present invention is a non-volatile logic integrated circuit including a resistance change element, and including a plurality of element circuits in which the resistance value of the resistance change element is used for a logical operation. A second element circuit connected to a subsequent stage of the first element circuit and operating according to a second control signal, and the second element circuit operating according to the first control signal. The control signal has a duty ratio smaller than that of the first control signal, and provides a nonvolatile logic integrated circuit in which each element circuit starts an arithmetic operation at a different timing.

以上説明した本発明によれば、論理演算の順序に応じて各々のスピントロニクス論理ゲートを制御するクロックの位相やデューティ比などの波形パラメータをずらすことで、スピントロニクス論理ゲート特有の動作制約を満たすことができ、且つ、スピントロニクス論理回路の演算処理時間を短縮することが可能となる。   According to the present invention described above, the operation restrictions peculiar to the spintronic logic gate can be satisfied by shifting the waveform parameters such as the phase of the clock and the duty ratio for controlling each spintronic logic gate in accordance with the order of the logical operations. In addition, it is possible to shorten the calculation processing time of the spintronic logic circuit.

本発明の各実施例によるラッチ回路付のスピントロニクス論理ゲートを示す図である。FIG. 3 shows a spintronic logic gate with a latch circuit according to each embodiment of the present invention. 図1のスピントロニクス論理ゲートの動作タイミング・チャートを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an operation timing chart of the spintronic logic gate of FIG. 1. 本発明の第1の実施例による不揮発性論理回路の基本構成を示す図である。It is a figure which shows the basic composition of the non-volatile logic circuit by 1st Example of this invention. 図3の不揮発性論理回路における動作タイミング・チャートを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an operation timing chart in the nonvolatile logic circuit of FIG. 3. 本発明の第2の実施例によるスピントロニクス論理ゲートの出力信号がフィードバックされた不揮発性論理回路の基本構成を示す図である。It is a figure which shows the basic composition of the non-volatile logic circuit in which the output signal of the spintronics logic gate by the 2nd Example of this invention was fed back. 本発明の第2の実施例によるスピントロニクス論理ゲートの出力信号がフィードバックされた不揮発性論理回路の基本構成の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the basic composition of the non-volatile logic circuit to which the output signal of the spintronics logic gate by the 2nd Example of this invention was fed back. 図5及び図6におけるフィードバックパスaからdの論理演算伝播をあらわすタイミング・チャートを示す図である。FIG. 7 is a timing chart showing logical operation propagation of feedback paths a to d in FIGS. 5 and 6. 本発明の第3の実施例による不揮発性論理回路の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the non-volatile logic circuit by 3rd Example of this invention. 図8の実施例における動作タイミング・チャートを示す図である。It is a figure which shows the operation | movement timing chart in the Example of FIG. 本発明の第4の実施例による不揮発性論理回路の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the non-volatile logic circuit by 4th Example of this invention. 図10の実施例における動作タイミング・チャートを示す図である。It is a figure which shows the operation | movement timing chart in the Example of FIG. 従来のスピントロニクス論理ゲートの基本回路構成を示す図である。It is a figure which shows the basic circuit structure of the conventional spintronics logic gate. 図12のスピントロニクス論理ゲートのパストランジスタ論理部の例であり、(a)はXOR回路を示し、(b)は真理値表を示す図である。FIG. 13 is an example of a pass transistor logic part of the spintronic logic gate of FIG. 12, (a) shows an XOR circuit, and (b) shows a truth table. 図12のスピントロニクス論理ゲートの動作タイミング・チャートを示す図である。It is a figure which shows the operation | movement timing chart of the spintronics logic gate of FIG.

以下、具体的に本発明の各実施例について詳述する。   Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described in detail.

(第1の実施例)
まず、本発明の第1の実施例について説明する。
(First embodiment)
First, a first embodiment of the present invention will be described.

図1は、スピントロニクス論理ゲート回路の後段に設けられたバッファをラッチ回路に置換えた回路(要素回路)である。このラッチ回路は、クロックがHレベルの時にスピントロニクス論理回路の演算結果を端子Qに出力し、Lレベルの時はそのまま保持する機能を有するHスルー・ラッチ回路である。本回路の動作タイミングチャートを図2に示す。後段にラッチ回路を追加することで、先述の動作制約の一つであるプリチャージ期間に出力信号が固定化されることを防ぐことができる。従って、ラッチ回路を含む回路を一つのスピントロニクス論理ゲートに定義づけることで回路設計がし易くなる。   FIG. 1 shows a circuit (element circuit) in which a buffer provided at a subsequent stage of a spintronic logic gate circuit is replaced with a latch circuit. This latch circuit is an H-thru latch circuit having a function of outputting the operation result of the spintronics logic circuit to the terminal Q when the clock is at the H level and holding it as it is when the clock is at the L level. An operation timing chart of this circuit is shown in FIG. By adding a latch circuit in the subsequent stage, it is possible to prevent the output signal from being fixed during the precharge period, which is one of the above-described operation restrictions. Therefore, the circuit design is facilitated by defining the circuit including the latch circuit as one spintronic logic gate.

しかし、ラッチ回路を追加するだけでは、もう一つの動作制約である論理演算期間中に入力信号が確定し続けないといけない課題を解決することはできない。例えば、スピントロニクス論理ゲートが2段縦属され、初段のゲート出力が次段のゲート入力に使用される場合を考える。初段のゲートの演算結果はCLKの立ち上がりエッジからある遅延をもって出力されるため、次段のゲートに演算動作の途中で変化することになる。次段のゲートへ入力される信号は同じCLKサイクルの立ち上がりエッジよりも前に確定しておかなければ正しく論理演算できない。   However, simply adding a latch circuit cannot solve the problem that the input signal must continue to be determined during the logical operation period, which is another operation constraint. For example, consider a case where two spintronic logic gates are cascaded and the first-stage gate output is used as the next-stage gate input. Since the calculation result of the first stage gate is output with a certain delay from the rising edge of CLK, it changes to the next stage gate during the calculation operation. If the signal input to the gate of the next stage is not determined before the rising edge of the same CLK cycle, the logical operation cannot be performed correctly.

図3はスピントロニクス論理ゲートの2つの動作制約を解決する本発明の一実施例の基本構成図である。本不揮発性論理集積回路においては、ラッチ付スピントロニクス論理ゲートを偶数段と奇数段に分け、入力されるCLK信号を互いに反転させている。例えば、偶数段のラッチ付スピントロニクス論理ゲート(SP0、SP2)に入力されるクロック信号(CLK)に対して、奇数段のラッチ付スピントロニクス論理ゲート(SP1、SP3)は位相が180度遅れた(反転した)クロック信号(/CLK)が入力されている。ここで、各段のスピントロニクス論理ゲートの間にはCMOSゲートで構成される組合せ回路が挿入され、より複雑な機能を実現する機能ブロックを設計することも可能である。   FIG. 3 is a basic configuration diagram of an embodiment of the present invention that solves two operational restrictions of a spintronic logic gate. In this non-volatile logic integrated circuit, the spintronic logic gate with a latch is divided into an even number stage and an odd number stage, and the inputted CLK signals are inverted. For example, the phase of the odd-numbered latched spintronic logic gates (SP1, SP3) is 180 degrees behind the clock signal (CLK) input to the even-numbered latched spintronic logic gates (SP0, SP2) (inverted). Clock signal (/ CLK) is input. Here, a combinational circuit composed of CMOS gates is inserted between the spintronic logic gates in each stage, and it is possible to design a functional block that realizes a more complicated function.

次に図4を用いて、図3に例示した回路の動作について詳述する。偶数段のラッチ付スピントロニクス論理ゲートSP0、SP2は、CLK信号がLレベルの時にプリチャージ期間、Hレベルの時に演算期間となる。端子Q0、Q2に出力される演算結果はCLKの立ち上がりエッジからある遅延時間を持って出力され、次の立ち上がりエッジまでの一周期分だけ演算結果が保持される。一方、奇数段のラッチ付スピントロニクス論理ゲートSP1、SP3は、/CLK信号がLレベル(CLKはHレベル)の時にプリチャージ期間、Hレベル(CLKはLレベル)の時に演算期間となる。端子Q1、Q3に出力される演算結果は/CLKの立ち上がりエッジ(CLKの立ち下がりエッジ)からある遅延時間をもって出力され、次の立ち上がりエッジまでの一周期分だけ演算結果が保持される。図3では、スピントロニクス論理ゲートSP0(偶数段)の演算結果y0が端子Q0に出力され、組合せ回路を介して次段のスピントロニクス論理ゲートSP1(奇数段)に入力されている。スピントロニクス論理ゲートSP1の入力信号は、/CLKがHレベルの間(CLKがLレベルの間)は変化してはいけないが、スピントロニクス論理ゲートSP0の出力信号y0は、同じサイクルのCLKがLレベルの間は保持されており変化することはない。従って、奇数段であるスピントロニクス論理ゲートSP1は正しく論理演算することが可能である。同様に、スピントロニクス論理ゲートSP1(奇数段)の演算結果y1が端子Q1に出力され、組合せ回路を介して次段のスピントロニクス論理ゲートSP2(偶数段)に入力されている。スピントロニクス論理ゲートSP2の入力信号は、CLKがHレベルの間(/CLKがLレベルの間)は変化してはいけないが、スピントロニクス論理ゲートSP1の出力信号y1は、次のサイクルのCLKがHレベルの間は保持されており変化することはない。従って、偶数段であるスピントロニクス論理ゲートSP2も正しく論理演算することが可能である。スピントロニクス論理ゲートSP2からSP3への論理演算についても同様であるので説明を省略する。このように、偶数段と奇数段のスピントロニクス論理ゲート間において、各々を制御するクロック信号を互いに反転させた2相クロックを用いることができ、インターリーブ動作させることでスピントロニクス論理ゲート特有の動作制約を回避することができ、さらに、論理演算に要するクロックサイクル数(レイテンシ)も半減する。図3の様に、ある論理演算が4段のスピントロニクス論理ゲートを介して結果が得られるケースだと、2相クロックによるインターリーブ動作させない場合は4サイクルの演算時間が必要なのに対して、インターリーブ動作させた場合は2サイクルの演算時間に留めることができる(図4)。   Next, the operation of the circuit illustrated in FIG. 3 will be described in detail with reference to FIG. The even-numbered spintronic logic gates SP0 and SP2 with a latch become a precharge period when the CLK signal is at the L level and an operation period when the CLK signal is at the H level. The calculation result output to the terminals Q0 and Q2 is output with a certain delay time from the rising edge of CLK, and the calculation result is held for one period until the next rising edge. On the other hand, the odd-numbered latched spintronics logic gates SP1 and SP3 have a precharge period when the / CLK signal is L level (CLK is H level) and an operation period when the / CLK signal is H level (CLK is L level). The calculation result output to the terminals Q1 and Q3 is output with a certain delay time from the rising edge of / CLK (falling edge of CLK), and the calculation result is held for one period until the next rising edge. In FIG. 3, the operation result y0 of the spintronics logic gate SP0 (even number stage) is output to the terminal Q0 and input to the next stage spintronics logic gate SP1 (odd number stage) via the combinational circuit. The input signal of the spintronics logic gate SP1 should not change while / CLK is at H level (while CLK is at L level), but the output signal y0 of the spintronics logic gate SP0 is that CLK of the same cycle is at L level. The interval is maintained and does not change. Accordingly, the odd-numbered spintronic logic gate SP1 can correctly perform a logical operation. Similarly, the operation result y1 of the spintronics logic gate SP1 (odd number stage) is output to the terminal Q1, and is input to the next stage spintronics logic gate SP2 (even number stage) via the combinational circuit. The input signal of the spintronics logic gate SP2 should not change while CLK is at H level (/ CLK is at L level), but the output signal y1 of the spintronics logic gate SP1 is that CLK of the next cycle is at H level. It is held during the period and will not change. Therefore, even the spintronics logic gate SP2 that is an even number can correctly perform a logical operation. The same applies to the logical operation from the spintronics logic gate SP2 to SP3, and the description thereof will be omitted. In this way, between the even-numbered and odd-numbered spintronics logic gates, a two-phase clock in which the clock signals for controlling them are mutually inverted can be used, and the interleaved operation avoids the operational restrictions peculiar to the spintronics logic gate. Furthermore, the number of clock cycles (latency) required for the logical operation is also halved. As shown in Fig. 3, if a certain logical operation is obtained through a four-stage spintronic logic gate, the interleave operation is performed while the interleave operation by the two-phase clock is not required. In this case, the calculation time can be limited to 2 cycles (FIG. 4).

(第2の実施例)
続いて、本発明の第2の実施例について説明する。図5は、本発明の第2の実施例によるスピントロニクス論理ゲートの出力信号がフィードバックされた不揮発性論理回路の基本構成図を示す。
(Second embodiment)
Subsequently, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 shows a basic configuration diagram of a nonvolatile logic circuit in which an output signal of a spintronics logic gate according to a second embodiment of the present invention is fed back.

ラッチ付スピントロニクス論理ゲートは、論理演算機能付のフリップフロップとして見る事ができる。すなわち、スピントロニクス論理ゲートの出力をその前段にフィードバックすることが可能である。図5は、スピントロニクス論理ゲートSP2の出力Q2が、スピントロニクス論理ゲートSP1の前段の組合せ回路CL1に入力されている(フィードバックパスa)。また、スピントロニクス論理ゲートSP3の出力Q3が、スピントロニクス論理ゲートSP0の前段の組合せ回路CL0に入力されている(フィードバックパスb)。図7の動作タイミングチャートを参照すれば、偶数段と奇数段のスピントロニクス論理ゲートとの間では各々の出力信号が変化するタイミングが半周期分ずれている。すなわち、互いの論理演算期間が重ならないので、偶数段から奇数段、あるいは奇数段から偶数段へのフィードバックパス(a、b)を形成することが可能である。一方、偶数段から偶数段、あるいは奇数段から奇数段のスピントロニクス論理ゲートにフィードバックする場合は、図6のようにフィードバックパスにラッチ回路を挿入して次のクロックサイクルの論理演算期間までフィードバック情報を保持する必要がある。例えば、スピントロニクス論理ゲートSP2の出力Q2がスピントロニクス論理ゲートSP0の前段の組合せ回路CL0に入力されているフィードバックパスcにCLKがLレベルでスルー、Hレベルで保持するラッチ回路を挿入する。また、スピントロニクス論理ゲートSP3の出力Q3がスピントロニクス論理ゲートSP1の前段の組合せ回路CL1に入力されているフィードバックパスdについては、CLKがHレベルでスルー、Lレベルで保持するラッチ回路を挿入する。図7のフィードバックパスc、dにおける動作タイミングチャートを示すように、ラッチ回路の挿入によるフィードバック元の信号を半周期遅延させることで、フィードバック先ゲートの論理演算のタイミングで入力信号が変化しないようにしている。   A spintronic logic gate with a latch can be viewed as a flip-flop with a logic operation function. That is, the output of the spintronic logic gate can be fed back to the preceding stage. In FIG. 5, the output Q2 of the spintronics logic gate SP2 is input to the combinational circuit CL1 before the spintronics logic gate SP1 (feedback path a). Further, the output Q3 of the spintronics logic gate SP3 is input to the combinational circuit CL0 in the previous stage of the spintronics logic gate SP0 (feedback path b). Referring to the operation timing chart of FIG. 7, the timing at which each output signal changes between the even-numbered and odd-numbered spintronic logic gates is shifted by a half period. That is, since the logical operation periods do not overlap each other, it is possible to form a feedback path (a, b) from the even number stage to the odd number stage or from the odd number stage to the even number stage. On the other hand, when feedback is performed from even-numbered stages to even-numbered stages or odd-numbered stages to odd-numbered spintronic logic gates, a latch circuit is inserted in the feedback path as shown in FIG. 6 to provide feedback information until the logical operation period of the next clock cycle. Need to hold. For example, a latch circuit for inserting CLK at the L level and holding it at the H level is inserted into the feedback path c in which the output Q2 of the spintronics logic gate SP2 is input to the combinational circuit CL0 at the preceding stage of the spintronics logic gate SP0. For the feedback path d in which the output Q3 of the spintronics logic gate SP3 is input to the combinational circuit CL1 in the preceding stage of the spintronics logic gate SP1, a latch circuit is inserted that holds CLK at H level and through at L level. As shown in the operation timing chart in the feedback paths c and d in FIG. 7, the input signal does not change at the timing of the logical operation of the feedback destination gate by delaying the feedback source signal by the insertion of the latch circuit by a half cycle. ing.

(第3の実施例)
次に、本発明の第3の実施例について説明する。図8は、位相が90度、180度、270度ずれた4相クロック信号(CLK0〜CLK3)を用いて、スピントロニクス論理回路の論理演算に要する時間をさらに削減した一例である。図8では、図1に示すラッチ付スピントロニクス論理ゲートを4段含み(SP0〜SP3)、論理演算がy0、y1、y2、y3のように伝播していく場合の例である。図9は図8の回路構成における動作タイミングチャートを示している。論理ゲートSP0はCLK0信号によってプリチャージ動作と論理演算動作が制御される。ここで、CLK0はマスタークロック信号であり、位相差は無いと定義する。論理ゲートSP1はCLK1信号によってそのプリチャージ動作と論理演算動作が制御される。ここでCLK1はCLK0に比べて位相が90度遅延している。論理ゲートSP2はCLK2信号によってそのプリチャージ動作と論理演算動作が制御される。ここでCLK2はCLK0に比べて位相が180度遅延している。論理ゲートSP3はCLK3信号によってそのプリチャージ動作と論理演算動作が制御される。ここでCLK3はCLK0に比べて位相が270度遅延している。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 shows an example in which the time required for the logical operation of the spintronic logic circuit is further reduced by using the four-phase clock signals (CLK0 to CLK3) whose phases are shifted by 90 degrees, 180 degrees, and 270 degrees. FIG. 8 shows an example in which the four spintronic logic gates with latches shown in FIG. 1 are included (SP0 to SP3), and logic operations propagate as y0, y1, y2, and y3. FIG. 9 shows an operation timing chart in the circuit configuration of FIG. The logic gate SP0 has its precharge operation and logic operation controlled by the CLK0 signal. Here, CLK0 is a master clock signal and is defined as having no phase difference. The logic gate SP1 has its precharge operation and logic operation controlled by the CLK1 signal. Here, the phase of CLK1 is delayed by 90 degrees compared to CLK0. The logic gate SP2 has its precharge operation and logic operation controlled by the CLK2 signal. Here, the phase of CLK2 is delayed by 180 degrees compared to CLK0. The precharge operation and logical operation of the logic gate SP3 are controlled by the CLK3 signal. Here, the phase of CLK3 is delayed by 270 degrees compared to CLK0.

論理ゲートSP0の論理演算結果y0は、CLK0の立ち上がりエッジ直後に組合せ回路CL1を介して論理ゲートSP1に入力される。図9に示すように、この時、CLK1がLレベルで論理ゲートSP1がプリチャージ状態である。すなわち、CLK1の立ち上がりエッジまでにSP0の論理演算結果y0に依存する入力信号が確定されることになる。また、CLK1がHレベルの間はy0に依存する入力信号の論理値が確定し続けるので、論理ゲートSP1は正しく論理演算することが可能である。論理ゲートSP1の論理演算結果y1は、CLK1の立ち上がりエッジ直後に出力され、組合せ回路CL2を介して論理ゲートSP2に入力される。上記と同様に、CLK2に立ち上がりエッジまでにSP1の論理演算結果y1に依存する入力信号が確定され、それはCLK2が論理演算を終了するまで保持し続けるので論理ゲートSP2は正しく論理演算することが可能である。論理ゲートSP2からSP3、SP3からSP0(図示されていない)に論理演算が伝播する場合も上記と同様である。このように、各々のスピントロニクス論理ゲートが異なる位相で動作し、論理演算がパイプライン的に処理することが出来るようになる。   The logical operation result y0 of the logic gate SP0 is input to the logic gate SP1 via the combinational circuit CL1 immediately after the rising edge of CLK0. As shown in FIG. 9, at this time, CLK1 is at L level and the logic gate SP1 is in a precharged state. That is, an input signal that depends on the logical operation result y0 of SP0 is determined by the rising edge of CLK1. Further, since the logic value of the input signal depending on y0 is continuously determined while CLK1 is at the H level, the logic gate SP1 can correctly perform the logic operation. The logical operation result y1 of the logic gate SP1 is output immediately after the rising edge of CLK1, and is input to the logic gate SP2 via the combinational circuit CL2. Similarly to the above, the input signal depending on the logical operation result y1 of SP1 is determined by the rising edge of CLK2, and since it keeps holding until CLK2 finishes the logical operation, the logical gate SP2 can correctly perform the logical operation. It is. The same applies to the case where the logical operation propagates from the logic gates SP2 to SP3 and from the SP3 to SP0 (not shown). In this way, each spintronic logic gate operates in a different phase, and logic operations can be processed in a pipeline manner.

このように、スピントロニクス論理ゲート毎に多相のクロック信号を用いて動作させることにより、ある一連の論理演算時間を短縮することができる。図8の実施例では、多相クロックを用いない場合はy0からy3までの論理演算に4サイクル必要であるが、4層クロックによるパイプライン処理を行うことで、マスタークロックであるCLK0の1サイクルで演算結果を得ることができる。   In this way, a certain series of logic operation time can be shortened by operating using a multiphase clock signal for each spintronic logic gate. In the embodiment of FIG. 8, when a multiphase clock is not used, four cycles are required for the logical operation from y0 to y3. The calculation result can be obtained with.

以上説明した実施例では、図1で示したラッチ回路付スピントロニクス論理ゲートを多相クロックで動作させることで動作制約の課題を解決し、且つ、論理演算時間に短縮を図った。しかし、ラッチ回路が回路面積のオーバヘッドになる。図10は、ラッチ回路が付加されていない図12のスピントロニクス論理ゲートを利用しながらも、その動作制約の課題を回避する別の実施の形態を示している。   In the embodiment described above, the operation restriction problem is solved by operating the spintronics logic gate with a latch circuit shown in FIG. 1 with a multiphase clock, and the logic operation time is shortened. However, the latch circuit becomes a circuit area overhead. FIG. 10 shows another embodiment that avoids the problem of operation restrictions while using the spintronics logic gate of FIG. 12 without a latch circuit.

(第4の実施例)
更に、本発明の第4の実施例について説明する。図10は、本発明の第4の実施例による不揮発性論理回路の構成を示す概略図である。
(Fourth embodiment)
Furthermore, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 10 is a schematic diagram showing a configuration of a non-volatile logic circuit according to a fourth example of the present invention.

図10は、ディレイ・フリップフロップ(DFF)の間に3段のスピントロニクス論理ゲートが組合せ回路を介しながら縦続的に結線されている。ここで、クロック信号(CLK)でDFFの入力信号がラッチされ、各段のスピントロニクス論理ゲート(SPi)は多相の制御信号(ENi)で動作し、ENiがLレベルでプリチャージ、Hレベルで論理演算動作を行う。ここで、スピントロニクス論理ゲートSP0に入力される制御信号はEN0、SP1に入力される制御信号はEN1、SP2に入力される制御信号はEN2である。ここで、EN0からEN2は、図11に示すように、CLKの立ち上がりエッジに同期して同時に立ち下がり、EN1から順次異なる遅延時間をもって立ち上がっていくデューティ比の異なる波形である。   In FIG. 10, three stages of spintronic logic gates are cascaded between delay flip-flops (DFF) through a combinational circuit. Here, the input signal of the DFF is latched by the clock signal (CLK), the spintronics logic gates (SPi) of each stage are operated by the multiphase control signal (ENi), and ENi is precharged at the L level and at the H level. Performs logical operation. Here, the control signal input to the spintronic logic gate SP0 is EN0, the control signal input to SP1 is EN1, and the control signal input to SP2 is EN2. Here, as shown in FIG. 11, EN0 to EN2 are waveforms having different duty ratios that simultaneously fall in synchronization with the rising edge of CLK and rise sequentially from EN1 with different delay times.

図10と図11を用いながら、本実施例の動作について説明する。CLKが立ち上がると、EN0〜2はLレベルに遷移し、全てのスピントロニクス論理ゲートはプリチャージ動作を行う。この時、各段のスピントロニクス論理ゲートはLレベル(論理値は「0」)を出力する。ある任意の遅延時間をもってEN0がHレベルになり、論理ゲートSP0は論理演算を行う。論理ゲートSP0の入力信号(A0)は、制御信号EN0の立ち上がりエッジよりも前に確定している必要があるが、DFFに遅延時間と組合せ回路CL0の遅延時間、及び、論理ゲートSP0のセットアップ時間の和よりも長い遅延時間をもってEN0が立ち上がれば正しく論理演算できる。制御信号EN0は次のCLKの立ち上がりエッジまでHレベルであり、その間は端子Y0に出力されるSP0の論理演算結果(y0)は保持される(図11)。この演算結果y0は、組合せ回路CL1を介してスピン論理ゲートSP1へ伝播していく。この時、EN1はまだLレベル、すなわち、SP1はプリチャージ動作の状態である。SP1の入力信号A1が確定されると、EN1がHレベルとなって、SP1は論理演算動作に入る。制御信号EN1は次のCLKの立ち上がりエッジまでHレベルであり、その間は端子Y1に出力されるSP1の論理演算結果(y1)は保持される。この演算結果y1は、組合せ回路CL2を介してさらにスピン論理ゲートSP2に伝播していく。この時、EN2はまだLレベル、すなわち、SP2はプリチャージ動作の状態である。SP2の入力信号A2が確定されると、EN2がHレベルとなって、SP2は論理演算動作に入る。制御信号EN2は次のCLKの立ち上がりエッジまでHレベルであり、その間は端子Y2に出力されるSP2の論理演算結果(y2)は保持される。この演算結果y2は、組合せ回路CL3を介して次段のDFFへ入力される。次のCLKの立ち上がりエッジまで各段のスピントロニクス論理ゲートの出力信号は変化しないため、端子Q0からD1までの論理演算結果を正しくラッチすることが可能である。   The operation of this embodiment will be described with reference to FIGS. When CLK rises, EN0 to 2 change to the L level, and all spintronic logic gates perform a precharge operation. At this time, the spintronic logic gate at each stage outputs an L level (logical value is “0”). With a certain arbitrary delay time, EN0 becomes H level, and the logic gate SP0 performs a logic operation. The input signal (A0) of the logic gate SP0 needs to be determined before the rising edge of the control signal EN0, but the delay time of the DFF, the delay time of the combinational circuit CL0, and the setup time of the logic gate SP0 If EN0 rises with a delay time longer than the sum of the two, a correct logical operation can be performed. The control signal EN0 is at the H level until the next rising edge of CLK, during which the logical operation result (y0) of SP0 output to the terminal Y0 is held (FIG. 11). The calculation result y0 propagates to the spin logic gate SP1 through the combinational circuit CL1. At this time, EN1 is still at the L level, that is, SP1 is in the precharge operation state. When the input signal A1 of SP1 is determined, EN1 becomes H level and SP1 enters a logic operation. The control signal EN1 is at the H level until the next rising edge of CLK, and the logical operation result (y1) of SP1 output to the terminal Y1 is held during this period. The calculation result y1 further propagates to the spin logic gate SP2 through the combinational circuit CL2. At this time, EN2 is still at the L level, that is, SP2 is in the precharge operation state. When the input signal A2 of SP2 is determined, EN2 becomes H level and SP2 enters a logic operation. The control signal EN2 is at the H level until the next rising edge of CLK, and the logical operation result (y2) of SP2 output to the terminal Y2 is held during that period. The calculation result y2 is input to the next stage DFF via the combinational circuit CL3. Since the output signal of the spintronic logic gate at each stage does not change until the next rising edge of CLK, it is possible to correctly latch the logical operation results from the terminals Q0 to D1.

以上、実施例を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではない。本発明の構成や詳細は、本発明の技術的範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。例えば、第1の実施例では、4段構成のスピントロニクス論理ゲートを例示したが、スピントロニクス論理ゲートはこの構成に限定されず、5段やそれ以上の段で構成されることができる。また、第4の実施例では、3段構成のスピントロニクス論理ゲートを例示したが、これに限定されることはなく、4段構成などにしてもよくその構成に合わせて制御信号のデューティ比を可変させて所望の演算動作させることができる。   While the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention within the technical scope of the present invention. For example, in the first embodiment, a spintronics logic gate having a four-stage configuration is illustrated, but the spintronic logic gate is not limited to this configuration and can be configured by five or more stages. In the fourth embodiment, a spintronics logic gate having a three-stage configuration is illustrated. However, the present invention is not limited to this, and a four-stage configuration or the like may be used, and the duty ratio of the control signal is variable according to the configuration. Thus, a desired calculation operation can be performed.

Claims (3)

抵抗変化素子を含み、該抵抗変化素子の抵抗値が論理演算に使われる複数の要素回路を含む不揮発性論理集積回路であって、前記複数の要素回路は、第1の制御信号により演算動作する第1の要素回路と、該第1の要素回路の後段に接続され、第2の制御信号により演算動作する第2の要素回路から構成され、前記第2の制御信号は、前記第1の制御信号よりも小さいデューティ比を有し、各要素回路が異なるタイミングで演算動作を開始することを特徴とする不揮発性論理集積回路。   A non-volatile logic integrated circuit including a resistance change element and a plurality of element circuits in which the resistance value of the resistance change element is used for a logic operation, wherein the plurality of element circuits perform an arithmetic operation according to a first control signal A first element circuit; and a second element circuit connected to a subsequent stage of the first element circuit and operating in accordance with a second control signal, wherein the second control signal is the first control circuit A non-volatile logic integrated circuit having a duty ratio smaller than a signal and each element circuit starting an arithmetic operation at a different timing. 請求項に記載の不揮発性論理集積回路において、前記第1の要素回路の前段の入力と前記第2の要素回路の後段の出力とにディレイフリップフロップが接続され、各要素回路は立ち上がりエッジが順次遅延した位相の制御信号で演算動作を開始することを特徴とする不揮発性論理集積回路。 2. The nonvolatile logic integrated circuit according to claim 1 , wherein a delay flip-flop is connected to an input of a preceding stage of the first element circuit and an output of a succeeding stage of the second element circuit, and each element circuit has a rising edge. A non-volatile logic integrated circuit characterized in that an arithmetic operation is started by a control signal having a phase that is sequentially delayed. 請求項1または2に記載の不揮発性論理集積回路において、抵抗変化素子が磁気抵抗素子であることを特徴とする不揮発性論理集積回路。 3. The nonvolatile logic integrated circuit according to claim 1, wherein the variable resistance element is a magnetoresistive element.
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