KR20200135149A - Spin logic device and method of operating the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 스핀 로직 소자 및 이의 동작 방법에 관한 것으로, 특히, 일반적인 유전체 커패시터와 추가 트랜지스터를 이용해 동작할 수 있는 스핀 로직 소자 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a spin logic device and a method of operating the same, and more particularly, to a spin logic device capable of operating using a general dielectric capacitor and an additional transistor, and a method of operating the same.
2016년 C. Murapaka et. al에서는 수직/수평 나노선에 입력 신호를 인가하고 상부에 별도 자성 게이트를 이용하여 로직 함수를 선택하는 방식을 제안하였다(Sci. Rep. 6, 20130 (2016) 참조). 입력 신호가 전류 신호 또는 전압 신호가 아닌 자기 신호이며, 자구벽 이동 방식을 사용하였다. 2016 C. Murapaka et. al proposed a method of applying an input signal to a vertical/horizontal nanowire and selecting a logic function using a separate magnetic gate at the top (see Sci. Rep. 6, 20130 (2016)). The input signal is a magnetic signal, not a current signal or a voltage signal, and the magnetic domain wall movement method was used.
2017년 M. G. Mankalale et. al.에서는 전압기반 스위칭 및 자구벽 이동을 통한 로직을 구현하였다(IEEE J. Explore. Solid-State Comput. Devices Circuits 3, 27 (2017) 참조). 이는 듀얼-레일(dual-rail) CMOS 인버터를 포함하고 4개 제어 신호를 사용한다. 간단한 인버터의 기능을 수행하기 위해 회로에 CMOS 인버터를 포함하고 있어 CMOS 인버터 대비 이점이 적으며, 재구성 가능 로직 구현이 어렵다.2017 M. G. Mankalale et. In al., logic is implemented through voltage-based switching and magnetic domain wall movement (see IEEE J. Explore. Solid-State Comput. Devices Circuits 3, 27 (2017)). It contains a dual-rail CMOS inverter and uses four control signals. Since a CMOS inverter is included in the circuit to perform the function of a simple inverter, it has less advantage than a CMOS inverter, and it is difficult to implement reconfigurable logic.
2019년 N. Rangarajan et. al.에서는 스핀 홀(spin hall) 효과와 자기 쌍극자 결합(magnetic dipole coupling) 기반의 단위소자와 자기터널접합을 이용하여 블리언(Boolean) 함수를 구현하였다. MUX를 이용하여 로직 함수를 선택할 수 있지만, 수평(lateral) 구조와 쌍극자 결합(dipolar coupling) 구현이 실제 공정상 용이하지 않다.N. Rangarajan et. In al., a Boolean function was implemented using a unit element and magnetic tunnel junction based on the spin hall effect and magnetic dipole coupling. Although a logic function can be selected using MUX, implementation of a lateral structure and dipolar coupling is not easy in practice.
스핀 로직소자에 대한 연구는 전 세계적으로 여러 가지 구조에 대한 제안이 되고 있지만, CMOS 기반 소자의 특성을 뛰어넘을 수 있는 수준의 결과는 나타나지 않았다. Research on spin logic devices has been proposed for various structures around the world, but no results have been shown that can exceed the characteristics of CMOS-based devices.
하지만, 2019년에 Intel社에서 이론적으로 제안한 MESO(magnetoelectric spin-orbit) 소자는 CMOS 기반 소자와 비교하여도 손색 없는 저전력 스핀 로직소자로 구현이 가능할 것으로 예상된다(Nature 565, 35 (2019) 참조).However, the MESO (magnetoelectric spin-orbit) device theoretically proposed by Intel in 2019 is expected to be implemented as a low-power spin logic device that is comparable to CMOS-based devices (see Nature 565, 35 (2019)). .
종래의 재구성 가능 스핀 로직은 자기(magnetic) 신호를 이용하거나 증착 온도가 높아 반도체 양산 공정에 용이하지 않은 단결정 다강체(multi-ferroic: 강자성 + 강유전 특성을 동시에 가짐) 재료를 이용한 자기전기(magnetoelectric) 효과를 기반으로 하고 있다. 또한, 단위 소자가 이론 및 개념 수준에 머물러 있기 때문에 반도체 양산공정 호환성 및 실험적 소자 검증이 안된 상태이다. 저전력, 고 면적 효율 응용분야에 사용되기 위해 전압제어 자화스위칭 및 스핀-전하 변환을 이용한 인버터/버퍼/NAND/NOR 등의 블리언(Boolean) 함수를 실시간으로 재구성할 수 있는 회로가 요구된다. Conventional reconfigurable spin logic uses a magnetic signal or a multi-ferroic material that is not easy to mass-produce semiconductors due to its high deposition temperature (which has both ferromagnetic + ferroelectric properties). It is based on the effect. In addition, because the unit device remains at the theoretical and conceptual level, the compatibility of the semiconductor mass production process and experimental device verification have not been performed. In order to be used in low-power, high-area-efficiency applications, a circuit capable of real-time reconfiguration of Boolean functions such as inverter/buffer/NAND/NOR using voltage-controlled magnetization switching and spin-charge conversion is required.
종래의 MESO 구조는 다강체(multi-ferroic)/강자성체간의 자기-전기 결합(magneto-electric coupling)과 스핀간의 교환 결합(exchange coupling)을 이용하여 스핀을 스위칭 시킨다.The conventional MESO structure switches spins using a multi-ferroic/ferromagnetic magnetic-electric coupling and an exchange coupling between the spins.
이론적으로 훌륭한 개념이지만 종래의 MESO 구조는 섭씨 600도 이상의 고온에서 성장시킨 단결정 기판위에서 이루어진 결과로 트랜지스터와 강자성체가 집적된 백-엔드(back-end) 공정에서 사용될 수 없다. 또한, 종래의 MESO 구조는 스위칭 시 발생되는 스트레인으로 피로현상이 일어나 로직 소자의 내구성(endurance)을 보장할 수 없다. 더하여, 종래의 MESO 구조에서는 스핀-전하 변환층의 부호가 하나로 정해져 있어 인버터로만 쓰이며 버퍼는 만들 수 없다.Although theoretically a great concept, conventional MESO structures cannot be used in a back-end process in which transistors and ferromagnetic materials are integrated as a result of being made on a single crystal substrate grown at a high temperature of 600 degrees Celsius or higher. In addition, in the conventional MESO structure, fatigue phenomenon occurs due to strain generated during switching, so the endurance of the logic device cannot be guaranteed. In addition, in the conventional MESO structure, since the sign of the spin-charge conversion layer is set to one, it is used only as an inverter and a buffer cannot be made.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 일반적인 유전체 커패시터와 추가 트랜지스터를 이용해 동작할 수 있는 스핀 로직 소자 및 이의 동작 방법을 제공하는 것이다.A technical problem to be achieved by the present invention is to provide a spin logic device capable of operating using a general dielectric capacitor and an additional transistor, and a method of operating the same.
본 발명의 실시 예에 따른 스핀 로직 소자는 자성체층, 상기 자성체층의 일면 상에 형성된 전류전달층, 상기 자성체층의 상기 일면 상에 상기 전류전달층과 이격되어 형성된 스핀 주입층 및 상기 스핀 주입층 상에 형성된 스핀-전하 변환층을 포함한다.A spin logic device according to an embodiment of the present invention includes a magnetic material layer, a current transfer layer formed on one surface of the magnetic material layer, a spin injection layer formed on the one surface of the magnetic material layer to be spaced apart from the current transfer layer, and the spin injection layer. And a spin-charge conversion layer formed thereon.
실시 예에 따라, 상기 자성체층은 상기 전류전달층을 통해 흐르는 전류에 의해 자화 방향이 스위칭될 수 있다.According to an embodiment, the magnetization direction of the magnetic layer may be switched by a current flowing through the current transfer layer.
실시 예에 따라, 상기 전류는 전류 공급부로부터 공급되며, 상기 전류 공급부는 입력 노드와 접지 사이에 접속되는 커패시터 및 게이트 전극이 상기 입력 노드에 접속되고, 제1 전극이 종속 전원에 접속되며, 제2 전극이 상기 전류전달층의 일단에 접속되는 트랜지스터를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the current is supplied from a current supply unit, and the current supply unit includes a capacitor and a gate electrode connected between an input node and a ground connected to the input node, a first electrode connected to a slave power supply, and a second An electrode may include a transistor connected to one end of the current transfer layer.
실시 예에 따라, 상기 종속 전원은 상기 커패시터의 양단 전압의 극성에 대응하는 전원을 공급할 수 있다.According to an embodiment, the dependent power supply may supply power corresponding to the polarity of the voltage across the capacitor.
실시 예에 따라, 상기 전류전달층의 타단은 접지에 접속될 수 있다.According to an embodiment, the other end of the current transfer layer may be connected to the ground.
상기 전류전달층은 중금속 및 위상절연체 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.The current transfer layer may include at least one of a heavy metal and a phase insulator.
상기 스핀 주입층은 상기 자성체층의 상기 자화 방향에 따라 결정되는 스핀 전류를 스핀 필터로서 상기 스핀-전하 변환층에 주입할 수 있다.The spin injection layer may inject a spin current determined according to the magnetization direction of the magnetic material layer into the spin-charge conversion layer as a spin filter.
실시 예에 따라, 상기 스핀-전하 변환층은 상기 스핀 주입층으로부터 주입받은 상기 스핀 전류를 전하 전류로 변환하여 출력 전류로서 출력할 수 있다.According to an embodiment, the spin-charge conversion layer may convert the spin current injected from the spin injection layer into a charge current and output it as an output current.
본 발명의 실시 예에 따른 스핀 로직 소자의 동작 방법은 입력 노드를 통해 공급되는 전류에 의해 커패시터를 충전하는 단계, 상기 커패시터의 양단 전압의 극성에 대응하는 방향으로 전류전달층을 통해 전류를 공급하는 단계, 상기 전류의 상기 방향에 의해 자성체층의 자화 방향을 스위칭하는 단계, 상기 자성체층의 상기 자화 방향에 따라 결정되는 스핀 전류를 스핀-전하 변환층에 주입하는 단계 및 상기 스핀 전류를 전하 전류로 변환하여 출력 전류로서 출력하는 단계를 포함한다.A method of operating a spin logic device according to an embodiment of the present invention includes charging a capacitor by a current supplied through an input node, supplying a current through a current transfer layer in a direction corresponding to the polarity of the voltage across the capacitor. Switching a magnetization direction of the magnetic material layer according to the direction of the current, injecting a spin current determined according to the magnetization direction of the magnetic material layer into the spin-charge conversion layer, and converting the spin current into a charge current Converting and outputting it as an output current.
실시 예에 따라, 상기 전류전달층은 상기 자성체층의 일면 상에 형성되고, 상기 스핀 주입층은 상기 자성체층의 상기 일면 상에 상기 전류전달층과 이격되어 형성되며, 상기 스핀-전하 변환층은 상기 스핀 주입층 상에 형성될 수 있다.According to an embodiment, the current transfer layer is formed on one surface of the magnetic material layer, the spin injection layer is formed on the one surface of the magnetic material layer and spaced apart from the current transfer layer, and the spin-charge conversion layer is It may be formed on the spin injection layer.
실시 예에 따라, 상기 전류전달층은 중금속 및 위상절연체 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the current transfer layer may include at least one of a heavy metal and a phase insulator.
실시 예에 따라, 상기 스핀 주입층은 스핀 필터로서 동작할 수 있다.According to an embodiment, the spin injection layer may operate as a spin filter.
본 발명의 실시 예에 따른 스핀 로직 소자 및 이의 동작 방법은 일반적인 유전체 커패시터와 추가 트랜지스터를 이용해 동작할 수 있다.The spin logic device and its operating method according to an embodiment of the present invention may be operated using a general dielectric capacitor and an additional transistor.
본 발명의 실시 예에 따른 스핀 로직 소자는 종래의 반도체 공정(실리콘 기반 공정)을 이용해 제조될 수 있다.The spin logic device according to an embodiment of the present invention may be manufactured using a conventional semiconductor process (silicon-based process).
종래의 소자들은 강자성 재료와 자화 스위칭을 위해 전류 신호를 이용하지만, 본 발명의 실시 예에 따른 스핀 로직 소자는 유전체 커패시터에 걸리는 전압 신호를 이용해 제어할 수 있다.Conventional devices use a current signal for magnetization switching with a ferromagnetic material, but the spin logic device according to an embodiment of the present invention can be controlled using a voltage signal applied to a dielectric capacitor.
본 발명의 실시 예에 따른 스핀 로직 소자는 전력 소모가 적고, 면적 효율이 높으며, 실시간 회로 재구성이 가능하다.The spin logic device according to an exemplary embodiment of the present invention consumes less power, has high area efficiency, and enables real-time circuit reconfiguration.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 스핀 로직 소자를 나타내는 모식도이다.
도 2는 도 1에 도시된 스핀 로직 소자와 관련 회로의 연결 관계를 상세하게 나타내는 도면이다.
도 3은 입력 전류에 대응하여 자성체층의 자화 방향이 스위칭되는 과정의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 자성체의 자화 방향에 따라 출력 전류가 발생하는 과정의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 입력 전류에 대응하여 자성체층의 자화 방향이 스위칭되는 과정의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 자성체의 자화 방향에 따라 출력 전류가 발생하는 과정의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 1에 도시된 스핀 로직 소자를 이용해 구성된 버퍼를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 스핀 로직 소자의 동작을 나타내는 순서도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 스핀 로직 소자를 이용해 구현될 수 있는 다수결 게이트를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 스핀 로직 소자를 이용해 구현될 수 있는 반전 다수결 게이트를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 스핀 로직 소자를 이용해 구현될 수 있는 1-비트 가산기(1-bit adder)를 설명하기 위한 도면이다.A detailed description of each drawing is provided in order to more fully understand the drawings cited in the detailed description of the present invention.
1 is a schematic diagram illustrating a spin logic device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating in detail a connection relationship between the spin logic device and related circuits shown in FIG.
3 is a diagram illustrating an example of a process of switching a magnetization direction of a magnetic layer in response to an input current.
4 is a diagram illustrating an example of a process of generating an output current according to a magnetization direction of a magnetic material.
5 is a diagram illustrating another example of a process in which a magnetization direction of a magnetic layer is switched in response to an input current.
6 is a diagram illustrating another example of a process of generating an output current according to a magnetization direction of a magnetic material.
FIG. 7 is a diagram illustrating a buffer constructed using the spin logic device shown in FIG. 1.
8 is a flow chart illustrating an operation of a spin logic device according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram for describing a majority gate that can be implemented using a spin logic device according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram illustrating an inverted majority gate that can be implemented using a spin logic device according to an embodiment of the present invention.
11 is a diagram illustrating a 1-bit adder that can be implemented using a spin logic device according to an embodiment of the present invention.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.Specific structural or functional descriptions of the embodiments according to the concept of the present invention disclosed in the present specification are exemplified only for the purpose of describing the embodiments according to the concept of the present invention. It may be implemented in various forms and is not limited to the embodiments described herein.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Since the embodiments according to the concept of the present invention can apply various changes and have various forms, the embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the present specification. However, this is not intended to limit the embodiments according to the concept of the present invention to specific disclosed forms, and includes all changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.Terms such as first or second may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms are only for the purpose of distinguishing one component from other components, for example, without departing from the scope of the rights according to the concept of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly The second component may also be referred to as a first component.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it is understood that it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in the middle. Should be. On the other hand, when a component is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in the middle. Other expressions describing the relationship between components, such as "between" and "just between" or "adjacent to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this specification are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of a set feature, number, step, action, component, part, or combination thereof, but one or more other features or numbers It is to be understood that the possibility of addition or presence of, steps, actions, components, parts, or combinations thereof is not preliminarily excluded.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms as defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in this specification. Does not.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by describing a preferred embodiment of the present invention with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 스핀 로직 소자를 나타내는 모식도이다.1 is a schematic diagram illustrating a spin logic device according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 스핀 로직 소자(100)는 자성체층(110), 전류전달층(120), 스핀 주입층(130), 스핀-전하 변환층(140) 및 전류출력층(150)을 포함한다.Referring to FIG. 1, the
자성체층(110)은 초기에 임의의 자화 방향을 가질 수 있다.The
자성체층(110)은 전류전달층(120)을 통해 흐르는 전류에 의해 자화 방향이 스위칭될 수 있다. 구체적으로, 자성체층(110)은 전류전달층(120)을 통해 흐르는 전류에 의해 생성되는 스핀 전류 또는 스핀-궤도 토크에 의하여 자화 방향이 스위칭될 수 있다.The magnetization direction of the
자성체층(110)은 강자성체(ferromagnet)로 형성되는 것이 바람직하다.It is preferable that the
전류전달층(120)은 자성체층(110)의 일면 상에 형성되되, 스핀 주입층(130)과 이격되도록 형성될 수 있다.The
전류전달층(120)은 전류 공급부(200)로부터 공급되는 전류를 접지로 흐르게 한다. 이때, 전류전달층(120)은 전류 공급부(200)로부터 공급되는 전류의 방향에 대응하는 자기장을 유도함으로써 자성체층(110)의 자화 방향을 스위칭할 수 있다.The
전류전달층(120)은 스핀 홀 각도(spin hall angle)가 큰 중금속 또는 위상절연체로 형성되는 것이 바람직하다.It is preferable that the
스핀 주입층(spin injection layer, 130)은 자성체층(110)의 상기 일면 상에 형성되되, 전류전달층(120)과 이격되도록 형성될 수 있다.A
스핀 주입층(130)은 자성체층(110)으로부터 스핀전류를 주입받을 수 있다. 구체적으로, 스핀 주입층(130)은 스핀 필터로서 자성체층(110)의 자화 방향에 대응하는 방향을 갖는 스핀 전류를 통과시킨다.The
스핀 주입층(130)은 MgO 기반의 절연층으로 형성될 수 있다.The
스핀-전하 변환층(spin-charge conversion layer, 140)은 스핀 주입층(130) 상에 형성될 수 있다.A spin-
스핀-전하 변환층(140)은 스핀 주입층(130)을 통해 주입된 스핀전류를 전하전류로 변환하여 출력할 수 있다. 구체적으로, 스핀-전하 변환층(140)은 스핀 궤도 상호 작용(spin orbit interaction) 등을 통해 스핀 주입층(120)을 통과한 스핀 전류를 전하전류로 변환한다.The spin-
전류출력층(150)은 스핀-전하 변환층(140) 상에 형성될 수 있다.The
전류출력층(150)은 스핀-전하 변환층(140)에 의해 변환된 전하전류를 출력한다.The
전류출력층(150)은 전하전류가 흐를 수 있는 소재로 형성될 수 잇다.The
도 1에 도시되어 있지는 않으나, 자성체층(110)과 스핀 주입층(130) 사이에 인공반강자성체가 구비될 수 있다. 인공반강자성체가 구비하면, 전류출력층(150)을 통해 흐르는 전하전류의 방향을 반전시킬 수 있다.Although not shown in FIG. 1, an artificial antiferromagnetic material may be provided between the
즉, 인공반강자성체의 구비 여부에 따라 스핀 로직 소자(100)를 인버터 또는 버퍼로 구현할 수 있다.That is, the
예를 들어, 인공반강자성체는 Ruderman-Kittle-Kasuya-Yosida 결합에 의해 자성층/비자성층/자성층 구조에서 두 개의 자성층의 자화가 반대로 정렬되는 인공구조로 구현될 수 있다.For example, the artificial antiferromagnetic material may be implemented as an artificial structure in which the magnetization of two magnetic layers is reversely aligned in a magnetic layer/non-magnetic layer/magnetic layer structure by a Ruderman-Kittle-Kasuya-Yosida bond.
도 2는 도 1에 도시된 스핀 로직 소자와 관련 회로의 연결 관계를 상세하게 나타내는 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating in detail a connection relationship between the spin logic element shown in FIG. 1 and a related circuit.
도 2를 참조하면, 전류전달층(120)은 전극(161)을 통해 전류공급부(200)에 접속되고, 전극(163)을 통해 접지에 접속될 수 있다.Referring to FIG. 2, the
전류공급부(200)는 입력 노드(IN)를 통해 공급되는 입력 전류(Iin)에 대응하는 전류를 전극(161)을 통해 전류전달층(120)으로 공급할 수 있다.The
실시 예에 따라, 전류공급부(200)는 입력 전류(Iin)의 방향과 동일한 방향의 전류를 전류전달층(120)으로 공급할 수 있다.According to an embodiment, the
전류 공급부(200)는 커패시터(C), 종속 전원(DS) 및 전달 트랜지스터(TM)를 포함할 수 있다.The
커패시터(C)는 입력 노드(IN)로부터 공급되는 입력 전류(Iin)를 충전한다. 즉, 커패시터(C)는 입력 전류(Iin)에 대응하는 전압(Vc)을 저장한다.The capacitor C charges the input current I in supplied from the input node IN. That is, the capacitor C stores the voltage Vc corresponding to the input current I in .
종속 전원(DS)은 커패시터(C)에 저장된 전압(Vc)에 따라 결정되는 전원을 공급한다.The dependent power supply DS supplies power determined according to the voltage Vc stored in the capacitor C.
예를 들어, 전압(Vc)이 충전되어 있을 때, 즉, 양(positive)일 때, 종속 전원(DS)은 양의 전압을 갖는 전원으로 동작할 수 있다. 반대로, 전압(Vc)이 방전되어 있을 때, 종속 전원(DS)은 음의 전압을 갖는 전원으로 동작할 수 있다.For example, when the voltage Vc is charged, that is, when it is positive, the dependent power source DS may operate as a power source having a positive voltage. Conversely, when the voltage Vc is discharged, the dependent power source DS may operate as a power source having a negative voltage.
다른 예를 들어, 전압(Vc)이 소정의 기준 전압 이상일 때 종속 전원(DS)은 양의 전압을 갖는 전원으로 동작하고, 전압(Vc)이 소정의 기준 전압 미만일 때 종속 전원(DS)은 음의 전압을 갖는 전원으로 동작할 수 있다.For another example, when the voltage Vc is greater than or equal to a predetermined reference voltage, the dependent power supply DS operates as a power having a positive voltage, and when the voltage Vc is less than the predetermined reference voltage, the dependent power supply DS is negative. It can be operated with a power supply having a voltage of
도 2에 도시된 전류공급부(200)의 구조는 단순한 예시일 뿐이며, 다양한 형태로 구현될 수 있다. 다시 말해, 전류공급부(200)는 Bi-directional current amplifier의 기능을 갖는 다양한 구조로 구현될 수 있다.The structure of the
전달 트랜지스터(TM)의 게이트 전극은 입력 노드(IN)에 접속되고, 제1 전극은 종속 전원(DS)에 접속되며, 제2 전극은 전극(161)에 접속될 수 있다.The gate electrode of the transfer transistor TM may be connected to the input node IN, the first electrode may be connected to the slave power supply DS, and the second electrode may be connected to the
전달 트랜지스터(TM)는 종속 전원(DS)의 출력 전압에 대응하는 전류를 전극(161)으로 공급할 수 있다. 상기 전류는 전극(161)과 전류전달층(120), 전극(163)을 통해 접지로 흐를 수 있다.The transfer transistor TM may supply a current corresponding to the output voltage of the dependent power supply DS to the
전류전달층(120)을 통해 전류가 흐르면, 전류전달층(120)에서 스핀-홀 효과(spin hall errect) 또는 라쉬바 효과(Rashba effect)에 의해 생성되는 스핀 전류 또는 스핀-궤도 토크에 의하여 자성체층(110)의 자화 방향이 스위칭될 수 있다.When a current flows through the
자성체층(110)과 전원(VDD) 사이에는 헤더 트랜지스터(TH)가 구비되며, 전류출력층(150)과 접지 사이에는 풋터 트랜지스터(TF)가 구비될 수 있다.A header transistor TH may be provided between the
헤더 트랜지스터(TH)는 전극층(171)을 통해 자성체층(110)에 접속되며, 풋터 트랜지스터(TF)는 전극층(173)을 통해 전류출력층(173)에 접속될 수 있다.The header transistor TH may be connected to the
헤더 트랜지스터(TH)는 전원(VDD)과 전극층(171) 사이에 접속되며, 제어신호(Vsup)에 응답하여 온(on)될 수 있다.The header transistor TH is connected between the power source V DD and the
풋터 트랜지스터(TF)는 전원(VDD)과 전극층(173) 사이에 접속되며, 제어신호(Vsup)에 응답하여 온(on)될 수 있다.The footer transistor TF is connected between the power source V DD and the
헤더 트랜지스터(TH)와 풋터 트랜지스터(TF)는, 제어신호(Vsup)가 공급될 때 수직 전류(Isup)가 자성체층(110), 스핀 주입층(130), 스핀-전하 변환층(140) 및 전류 출력층(150)을 통해 흐를 수 있도록, 자성체층(110), 스핀 주입층(130), 스핀-전하 변환층(140) 및 전류 출력층(150)의 수직 방향으로 형성되는 것이 바람직하다.When the control signal Vsup is supplied to the header transistor TH and the footer transistor TF, the vertical current Isup is applied to the
도 2에서는 헤더 트랜지스터(TH)와 풋터 트랜지스터(TF)가 동시에 구비되는 경우를 도시하였으나, 본 발명의 실시 예는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 헤더 트랜지스터(TH)와 풋터 트랜지스터(TF)는 둘 중에 적어도 하나만 구비되면 충분하다.2 illustrates a case in which the header transistor TH and the footer transistor TF are simultaneously provided, but the exemplary embodiment of the present invention is not limited thereto. For example, it is sufficient if only at least one of the header transistor TH and the footer transistor TF is provided.
입력 노드(IN)로부터 공급되는 입력 전류(Iin)의 방향에 따른 스핀 로직 소자(100)의 동작은 도 3 내지 도 6을 통해 보다 상세하게 설명될 것이다.The operation of the
도 3은 입력 전류에 대응하여 자성체층의 자화 방향이 스위칭되는 과정의 일례를 나타내는 도면이다. 도 3은 입력 전류(Iin)가 입력 노드(IN)로부터 전류 공급부(200)로 흐를 때 자성체층(110)의 자화 방향(Ms)이 스위칭되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.3 is a diagram illustrating an example of a process of switching a magnetization direction of a magnetic layer in response to an input current. 3 is a view for explaining a process in which the magnetization direction Ms of the
도 3을 참조하면, 입력 전류(Iin)가 입력 노드(IN)로부터 전류 공급부(200)로 공급되면 커패시터(C)가 충전될 수 있다. 다시 말해, 커패시터(C)의 양단 전압(Vc)은 입력 전류(Iin)에 의해 소정의 기준 전압 이상으로 충전될 수 있다.Referring to FIG. 3, when the input current I in is supplied from the input node IN to the
종속 전원(DS)은 커패시터(C)의 양단 전압(Vc)에 따라 양의 전압을 출력한다.The dependent power supply DS outputs a positive voltage according to the voltage Vc of both ends of the capacitor C.
이때, 전달 트랜지스터(TM)는 NMOS(N-channel MOSFET)로서 입력 전류(Iin)를 증폭하여 스핀 로직 소자(100)로 출력할 수 있다. 구체적으로, 전달 트랜지스터(TM)는 증폭된 전류(Itr)를 전극(161), 전류전달층(120) 및 전극(163)을 통해 접지 방향으로 공급할 수 있다.In this case, the transfer transistor TM is an N-channel MOSFET (NMOS) and may amplify the input current I in and output it to the
전류전달층(120)은 증폭된 전류(Itr)이 흐를 때 증폭된 전류(Itr)의 방향으로 스핀 전류 또는 스핀-궤도 토크가 생성된다. 그 결과, 자성체층(110)의 자화 방향(Ms)이 도 3에 도시된 바와 같이 유도된 자기장에 의해 스위칭될 수 있다.When the amplified current Itr flows, the
도 4는 자성체의 자화 방향에 따라 출력 전류가 발생하는 과정의 일례를 나타내는 도면이다. 도 4는 도 3에 도시된 바와 같이 자성체층(110)의 자화 방향(Ms)이 스위칭되었을 때 출력 전류(Iout)의 방향이 결정되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.4 is a diagram illustrating an example of a process of generating an output current according to a magnetization direction of a magnetic material. 4 is a view for explaining a process in which the direction of the output current Iout is determined when the magnetization direction Ms of the
도 4를 참조하면, 자성체층(110)의 자화 방향(Ms)이 스위칭 된 이후 수직 전류(Isup)가 자성체층(110), 스핀 주입층(130), 스핀-전하 변환층(140) 및 전류 출력층(150)을 통해 흐르면 출력 전류(Iout)가 발생할 수 있다.Referring to FIG. 4, after the magnetization direction Ms of the
스핀 주입층(130)은 자성체층(110)의 자화 방향에 대응하는 방향의 스핀전류를 주입받을 수 있다. 구체적으로, 스핀 주입층(130)은 스핀 필터로서 자성체층(110)의 자화 방향에 대응하는 방향을 갖는 스핀 전류를 통과시킬 수 있다.The
스핀-전하 변환층(140)은 스핀 주입층(130)을 통과한 스핀전류를 전하전류로 변환하여 출력한다. 이때, 스핀-전하 변환층(140)으로부터 출력된 상기 전하전류가 전류출력층(150)을 통해 흐르면서 출력 전류(Iout)로서 역할할 수 있다.The spin-
도 3에 도시된 입력 전류(Iin)의 방향과 출력 전류(Iout)의 방향이 반대인 바 스핀 로직 소자(100)는 인버터로 동작함을 이해할 수 있다.It can be understood that the
도 5는 입력 전류에 대응하여 자성체층의 자화 방향이 스위칭되는 과정의 다른 예를 나타내는 도면이다. 도 5는 입력 전류(Iin')가 전류 공급부(200)로부터 입력 노드(IN)로 흐를 때, 즉, 입력 노드(IN)로 입력 전류(Iin')가 싱크(sink)될 때 자성체층(110)의 자화 방향(Ms)이 스위칭되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.5 is a diagram illustrating another example of a process in which a magnetization direction of a magnetic layer is switched in response to an input current. Figure 5 "when the flow to the input node (IN) from the
도 5를 참조하면, 입력 전류(Iin')가 입력 노드(IN)로부터 전류 공급부(200)로 공급되면 커패시터(C)는 방전될 수 있다.Referring to FIG. 5, when the input current I in ′ is supplied from the input node IN to the
도 3을 참조하면, 입력 전류(Iin')가 입력 노드(IN)로부터 전류 공급부(200)로 공급되면 커패시터(C)가 방전될 수 있다. 다시 말해, 커패시터(C)의 양단 전압(Vc)은 입력 전류(Iin')에 의해 소정의 기준 전압 미만으로 방전될 수 있다.Referring to FIG. 3, when the input current I in' is supplied from the input node IN to the
종속 전원(DS)은 커패시터(C)의 양단 전압(Vc)에 따라 음의 전압을 출력한다.The dependent power supply DS outputs a negative voltage according to the voltage Vc of both ends of the capacitor C.
이때, 전달 트랜지스터(TM)는 NMOS로서 입력 전류(Iin')를 증폭하여 스핀 로직 소자(100)로 출력할 수 있다. 구체적으로, 전달 트랜지스터(TM)는 증폭된 전류(Itr')를 접지로부터 전극(163), 전류전달층(120) 및 전극(161)을 통해 전달 트랜지스터(TM) 방향으로 공급할 수 있다. 즉, 전달 트랜지스터(TM)는 접지로부터 전류전달층(120)을 통해 전류(Itr')를 싱크(sink)할 수 있다.In this case, the transfer transistor TM may amplify the input current I in ′ as an NMOS and output it to the
전류전달층(120)은 증폭된 전류(Itr')이 흐를 때 증폭된 전류(Itr')의 방향에 대응하는 스핀 전류 또는 스핀-궤도 토크를 생성할 수 있다. 그 결과, 자성체층(110)의 자화 방향(Ms)이 도 5에 도시된 바와 같이 스위칭될 수 있다.The
도 6은 자성체의 자화 방향에 따라 출력 전류가 발생하는 과정의 다른 예를 나타내는 도면이다. 도 6는 도 5에 도시된 바와 같이 자성체층(110)의 자화 방향(Ms)이 스위칭되었을 때 출력 전류(Iout')의 방향이 결정되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.6 is a diagram illustrating another example of a process of generating an output current according to a magnetization direction of a magnetic material. 6 is a view for explaining a process in which the direction of the output current Iout' is determined when the magnetization direction Ms of the
도 6을 참조하면, 자성체층(110)의 자화 방향(Ms)이 스위칭 된 이후 수직 전류(Isup)가 자성체층(110), 스핀 주입층(130), 스핀-전하 변환층(140) 및 전류 출력층(150)을 통해 흐르면 출력 전류(Iout')가 발생할 수 있다.Referring to FIG. 6, after the magnetization direction Ms of the
스핀 주입층(130)은 자성체층(110)의 자화 방향에 대응하는 방향의 스핀전류를 주입받을 수 있다. 구체적으로, 스핀 주입층(130)은 스핀 필터로서 자성체층(110)의 자화 방향에 대응하는 방향을 갖는 스핀 전류를 통과시킬 수 있다.The
스핀-전하 변환층(140)은 스핀 주입층(130)을 통과한 스핀전류를 전하전류로 변환하여 출력한다. 이때, 스핀-전하 변환층(140)으로부터 출력된 상기 전하전류가 전류출력층(150)을 통해 흐르면서 출력 전류(Iout')로서 역할할 수 있다.The spin-
도 5에 도시된 입력 전류(Iin')의 방향과 출력 전류(Iout')의 방향이 반대인 바 스핀 로직 소자(100)는 인버터로 동작함을 이해할 수 있다.Since the direction of the input current I in ′ and the direction of the output current Iout ′ shown in FIG. 5 are opposite, it can be understood that the
도 7은 도 1에 도시된 스핀 로직 소자를 이용해 구성된 버퍼를 나타내는 도면이다. 도 7은 도 2에 도시된 스핀 로직 소자 2개를 직렬로 연결한 것으로서 첫번째 스테이지(좌측 스핀 로직 소자, 100-1)의 전류 출력층(150)과 두번째 스테이지(우측 스핀 로직 소자, 100-2)의 입력 노드가 전기적으로 접속된 것으로 이해될 수 있다.7 is a diagram illustrating a buffer constructed using the spin logic device shown in FIG. 1. FIG. 7 shows a
도 7을 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이 스핀 로직 소자들(100-1, 100-2)은 각각 인버터로 동작하므로 입력 전류(Iin)의 방향과 중간 출력 전류(Imed)의 방향은 반대가 되며 중간 출력 전류(Imed)의 방향과 출력 전류(Iout)의 방향이 반대가 된다. 즉, 입력 전류(Iin)의 방향과 출력 전류(Iout)의 방향이 동일하게 된다.Referring to FIG. 7, as described above, since the spin logic elements 100-1 and 100-2 each operate as an inverter, the direction of the input current I in and the direction of the intermediate output current Imed are opposite. The direction of the intermediate output current Imed and the direction of the output current Iout are opposite. That is, the direction of the input current I in and the direction of the output current Iout are the same.
도 7을 통해, 짝수 개의 스핀 로직 소자들을 직렬로 연결할 경우 버퍼로 동작할 수 있음을 알 수 있다.7, it can be seen that when even number of spin logic devices are connected in series, they can operate as a buffer.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 스핀 로직 소자의 동작을 나타내는 순서도이다.8 is a flow chart illustrating an operation of a spin logic device according to an embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 입력 노드(IN)을 통해 공급되는 입력 전류(Iin)에 의해 커패시터(C)가 충전된다(S100). 다시 말해, 전류 공급부(200)로 입력 전류(Iin)가 공급되면 이를 커패시터(C)에 충전한다.Referring to FIG. 8, the capacitor C is charged by the input current I in supplied through the input node IN (S100). In other words, when the input current I in is supplied to the
커패시터(C)의 양단 전압(Vc)에 따라 결정된 방향으로 전류전달층(120)을 통해 전류를 공급한다(S200). 커패시터(C)에 입력 전류(Iin)에 대응하는 전압(Vc)이 충전되면, 종속 전원(DS)은 커패시터(C)의 양단 전압(Vc)에 대응하는 전압을 출력한다. 이에 따라, 전달 트랜지스터(TM)은 커패시터(C)의 양단 전압(Vc)에 대응하는 방향, 즉, 입력 전류(Iin)의 방향에 대응하는 방향의 전류를 전류전달층(120)으로 공급한다.Current is supplied through the
전류전달층(120)을 통해 흐르는 전류의 방향에 의해 자성체층의 자화 방향을 스위칭한다(S300). 전류전달층(120)을 통해 전류가 흐르면 전류의 방향에 대응하여 자기장이 유도되고, 유도된 자기장에 의해 자성체층(110)의 자화 방향이 스위칭된다.The magnetization direction of the magnetic layer is switched according to the direction of the current flowing through the current transfer layer 120 (S300). When a current flows through the
자성체층(100)의 자화 방향에 따라 결정되는 스핀 전류를 스핀 필터를 이용해 스핀-전하 변환층에 주입한다(S400). 수직 전류(Isup)가 자성체층(110), 스핀 주입층(130), 스핀-전하 변환층(140) 및 전류 출력층(150)을 통해 흐르면, 스핀 주입층(130)이 스핀 필터로서 동작하여 스핀 전류를 스핀-전하 변환층(140)으로 공급한다.A spin current determined according to the magnetization direction of the
스핀 전류를 전하 전류로 변환하여 출력 전류로서 출력된다(S500). 스핀-전하 변환층(140)은 주입된 스핀-전하를 전하 전류로 변환하고 변환된 전하 전류를 출력 전류로서 전류출력층(150)을 통해 출력 노드(OUT)로 출력한다.The spin current is converted into a charge current and output as an output current (S500). The spin-
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 스핀 로직 소자를 이용해 구현될 수 있는 다수결 게이트를 설명하기 위한 도면이다.9 is a diagram for describing a majority gate that can be implemented using a spin logic device according to an embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 하나의 버퍼(BUF)를 이용해 다수결 게이트(majority gate, MAJ3)를 구현할 수 있다.Referring to FIG. 9, a majority gate (MAJ3) may be implemented using one buffer (BUF).
버퍼(BUF)는 입력 신호들(A, B, X) 중에서 다수를 차지하는 값을 출력 신호(Out)로서 출력한다.The buffer BUF outputs a value occupying a majority of the input signals A, B, and X as an output signal Out.
다시 말해, 입력 신호들(A, B, X)은 전류 형태로서 해당하는 값에 따라 전류를 소싱(sourcing)또는 싱크(sink)하는데, 버퍼(BUF)의 입력 단에는 다수를 차지하는 값에 대응하는 전류가 공급된다.In other words, the input signals (A, B, X) are in the form of current, sourcing or sinking the current according to the corresponding value, but the input terminal of the buffer BUF is Current is supplied.
다수결 게이트(MAJ3)의 진리표는 도 9에 도시된 바와 같다.The truth table of the majority vote MAJ3 is as shown in FIG. 9.
입력 신호들(A, B, X) 중에서 어느 하나, 예를 들어, 입력 신호(X)의 값에 따라, 나머지들, 예를 들어, 입력신호들(A, B)에 대한 논리식(AND 또는 OR)이 결정됨을 이해할 수 있다.Any one of the input signals (A, B, X), for example, depending on the value of the input signal (X), the rest, for example, a logical expression (AND or OR ) Is determined.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 스핀 로직 소자를 이용해 구현될 수 있는 반전 다수결 게이트를 설명하기 위한 도면이다. 도 10에 도시된 논리 회로는 도 9에 도시된 논리 회로와 제4 인터버(INV4) 대신 버퍼(BUF)가 포함되는 점을 제외하고 동일하다.10 is a diagram illustrating an inverted majority gate that can be implemented using a spin logic device according to an embodiment of the present invention. The logic circuit shown in FIG. 10 is the same as the logic circuit shown in FIG. 9 except that the buffer BUF is included instead of the fourth inverter INV4.
도 10을 참조하면, 하나의 인버터(INV)를 이용해 반전 다수결 게이트(inverse majority gate, )를 구현할 수 있다.Referring to FIG. 10, an inverse majority gate using one inverter INV. ) Can be implemented.
인버터(INV)는 입력 신호들(A, B, X) 중에서 다수를 차지하는 값을 반전하고 반전된 신호를 출력 신호(Out)로서 출력한다.The inverter INV inverts a value that occupies a majority of the input signals A, B, and X and outputs the inverted signal as an output signal Out.
다시 말해, 입력 신호들(A, B, X)은 전류 형태로서 해당하는 값에 따라 전류를 소싱(sourcing)또는 싱크(sink)하는데, 인버터(INV)의 입력 단에는 다수를 차지하는 값에 대응하는 전류가 공급되며, 인버터(INV)는 공급된 전류를 반전하여 출력한다.In other words, the input signals (A, B, X) are in the form of current, sourcing or sinking the current according to the corresponding value, and the input terminal of the inverter (INV) is Current is supplied, and the inverter INV inverts and outputs the supplied current.
반전 다수결 게이트()의 진리표는 도 9에 도시된 바와 같다.Reverse Majority Gate ( The truth table of) is as shown in FIG. 9.
입력 신호들(A, B, X) 중에서 어느 하나, 예를 들어, 입력 신호(X)의 값에 따라, 나머지들, 예를 들어, 입력신호들(A, B)에 대한 논리식(NAND 또는 NOR)이 결정됨을 이해할 수 있다.Any one of the input signals (A, B, X), for example, depending on the value of the input signal (X), the rest, for example, a logical expression (NAND or NOR) for the input signals (A, B) ) Is determined.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 스핀 로직 소자를 이용해 구현될 수 있는 1-비트 전가산기(1-bit full adder)를 설명하기 위한 도면이다.11 is a diagram for describing a 1-bit full adder that can be implemented using a spin logic device according to an embodiment of the present invention.
도 11을 참조하면, 1개의 반전 다수결 게이트()와 2개의 다수결 게이트(MAJ3), 1개의 인버터를 이용해 1-비트 전가산기를 구현할 수 있다.11, one inverted majority gate ( ), two majority gates (MAJ3), and one inverter to implement a 1-bit full adder.
이와 같이 구현된 1-비트 전가산기의 진리표는 도 11에 도시된 바와 같다.The truth table of the 1-bit full adder implemented as described above is shown in FIG. 11.
CMOS를 이용해 1-비트 전가산기를 구현할 경우 2개의 XOR 게이트, 3개의 NAND 게이트 및 28개의 트랜지스터를 이용해 점유하는 면적이 5800 [F2]로 계산된다. 이에 반해, 본 발명의 실시 예에 따른 스핀 로직 소자를 기반으로 1-비트 전가산기를 구현할 경우 스핀 로직 소자 4개로 구성되는 1개의 다수결 회로와 3개의 반전(또는 비반전) 다수결 회로들을 이용함으로써 점유하는 면적이 최소 920 [F2]에 불과하다. 즉, 본 발명의 스핀 로직 소자를 기반으로 하여 약 85%의 공간 절약이 가능함을 알 수 있다.When implementing a 1-bit full adder using CMOS, the area occupied by using 2 XOR gates, 3 NAND gates and 28 transistors is calculated as 5800 [F 2 ]. In contrast, when implementing a 1-bit full adder based on a spin logic device according to an embodiment of the present invention, it is occupied by using one majority circuit consisting of four spin logic devices and three inverting (or non-inverting) majority vote circuits. It has a minimum area of 920 [F 2 ]. That is, it can be seen that space saving of about 85% is possible based on the spin logic device of the present invention.
더하여, 시뮬레이션 결과, CMOS 기반 1-비트 전가산기의 소모 에너지는 142 [aJ]로 계산되었는데 본 발명의 실시 예에 따른 스핀 로직 소자 기반 1-비트 전가산기의 소모 에너지는 27 [aJ]로서 CMOS 대비 78% 저감될 수 있다.In addition, as a result of the simulation, the energy consumption of the CMOS-based 1-bit full adder was calculated as 142 [aJ], but the energy consumption of the spin logic device-based 1-bit full adder according to the embodiment of the present invention was 27 [aJ], compared to CMOS. It can be reduced by 78%.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the exemplary embodiment shown in the drawings, this is only exemplary, and those of ordinary skill in the art will appreciate that various modifications and other equivalent embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical idea of the attached registration claims.
100; 스핀 로직 소자
110, 110-1, 110-2; 자성체층
120, 120-1, 120-2; 전류전달층
130, 130-1, 130-2; 스핀 주입층
140, 140-1, 140-2; 스핀-전하 변환층
150, 150-1, 150-2; 전류 출력층100; Spin logic element
110, 110-1, 110-2; Magnetic layer
120, 120-1, 120-2; Current carrying layer
130, 130-1, 130-2; Spin injection layer
140, 140-1, 140-2; Spin-charge conversion layer
150, 150-1, 150-2; Current output layer
Claims (12)
상기 자성체층의 일면 상에 형성된 전류전달층;
상기 자성체층의 상기 일면 상에 상기 전류전달층과 이격되어 형성된 스핀 주입층; 및
상기 스핀 주입층 상에 형성된 스핀-전하 변환층을 포함하는 스핀 로직 소자.Magnetic layer;
A current transfer layer formed on one surface of the magnetic layer;
A spin injection layer formed on the one surface of the magnetic layer and spaced apart from the current transfer layer; And
A spin logic device comprising a spin-charge conversion layer formed on the spin injection layer.
상기 자성체층은 상기 전류전달층을 통해 흐르는 전류에 의해 자화 방향이 스위칭되는 스핀 로직 소자.The method of claim 1,
The magnetic material layer is a spin logic device in which a magnetization direction is switched by a current flowing through the current transfer layer.
상기 전류는 전류 공급부로부터 공급되며,
상기 전류 공급부는,
입력 노드와 접지 사이에 접속되는 커패시터; 및
게이트 전극이 상기 입력 노드에 접속되고, 제1 전극이 종속 전원에 접속되며, 제2 전극이 상기 전류전달층의 일단에 접속되는 트랜지스터를 포함하는 스핀 로직 소자.The method of claim 2,
The current is supplied from a current supply,
The current supply unit,
A capacitor connected between the input node and ground; And
A spin logic device comprising a transistor in which a gate electrode is connected to the input node, a first electrode is connected to a slave power supply, and a second electrode is connected to one end of the current transfer layer.
상기 종속 전원은 상기 커패시터의 양단 전압의 극성에 대응하는 전원을 공급하는 스핀 로직 소자.The method of claim 3,
The dependent power supply is a spin logic device that supplies power corresponding to a polarity of a voltage across the capacitor.
상기 전류전달층의 타단은 접지에 접속되는 스핀 로직 소자.The method of claim 3,
The other end of the current transfer layer is a spin logic device connected to the ground.
상기 전류전달층은,
중금속 및 위상절연체 중에서 적어도 하나를 포함하는 스핀 로직 소자.The method of claim 1,
The current transfer layer,
A spin logic device comprising at least one of a heavy metal and a phase insulator.
상기 스핀 주입층은,
상기 자성체층의 상기 자화 방향에 따라 결정되는 스핀 전류를 스핀 필터로서 상기 스핀-전하 변환층에 주입하는 스핀 로직 소자.The method of claim 1,
The spin injection layer,
A spin logic device for injecting a spin current determined according to the magnetization direction of the magnetic layer into the spin-charge conversion layer as a spin filter.
상기 스핀-전하 변환층은,
상기 스핀 주입층으로부터 주입받은 상기 스핀 전류를 전하 전류로 변환하여 출력 전류로서 출력하는 스핀 로직 소자.The method of claim 1,
The spin-charge conversion layer,
A spin logic device that converts the spin current injected from the spin injection layer into a charge current and outputs it as an output current.
상기 커패시터의 양단 전압의 극성에 대응하는 방향으로 전류전달층을 통해 전류를 공급하는 단계;
상기 전류의 상기 방향에 의해 자성체층의 자화 방향을 스위칭하는 단계;
상기 자성체층의 상기 자화 방향에 따라 결정되는 스핀 전류를 스핀-전하 변환층에 주입하는 단계; 및
상기 스핀 전류를 전하 전류로 변환하여 출력 전류로서 출력하는 단계를 포함하는 스핀 로직 소자의 동작 방법.Charging the capacitor by the current supplied through the input node;
Supplying a current through a current transfer layer in a direction corresponding to the polarity of the voltage across the capacitor;
Switching the magnetization direction of the magnetic layer according to the direction of the current;
Injecting a spin current determined according to the magnetization direction of the magnetic layer into the spin-charge conversion layer; And
And converting the spin current into a charge current and outputting the spin current as an output current.
상기 전류전달층은 상기 자성체층의 일면 상에 형성되고,
상기 스핀 주입층은 상기 자성체층의 상기 일면 상에 상기 전류전달층과 이격되어 형성되며,
상기 스핀-전하 변환층은 상기 스핀 주입층 상에 형성되는 스핀 로직 소자의 동작 방법.The method of claim 9,
The current transfer layer is formed on one surface of the magnetic layer,
The spin injection layer is formed on the one surface of the magnetic layer to be spaced apart from the current transfer layer,
The spin-charge conversion layer is formed on the spin injection layer.
상기 전류전달층은,
중금속 및 위상절연체 중에서 적어도 하나를 포함하는 스핀 로직 소자의 동작 방법.The method of claim 10,
The current transfer layer,
A method of operating a spin logic device including at least one of a heavy metal and a phase insulator.
상기 스핀 주입층은 스핀 필터로서 동작하는 스핀 로직 소자의 동작 방법.The method of claim 10,
The spin injection layer operates as a spin filter.
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