TW201531936A - 電壓控制的奈米磁性隨機數產生器 - Google Patents

電壓控制的奈米磁性隨機數產生器 Download PDF

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Abstract

描述一種用於電壓控制奈米磁性隨機數產生器的裝置。該裝置包含：一自由鐵磁性層；一固定鐵磁性層，位在相對於該自由鐵磁性層的一非共線方向上；和一第一端子，耦合到該自由鐵磁性層，該第一端子提供一偏壓電壓到該自由鐵磁性層。描述一種包含一隨機數產生器和一電路的集成電路，該集成電路包括：一磁性隧道接面(Magnetic tunnel junction；MTJ)裝置，具有非共線定位的自由和固定鐵磁性層；和一電路，提供一可調節的偏壓電壓到該自由鐵磁性層，該電路控制由該MTJ裝置所感測的電流的變異。

Description

電壓控制的奈米磁性隨機數產生器
本發明係關於電壓控制的奈米磁性隨機數產生器。
晶片微觀尺度的嵌入式隨機數產生器(random number generators；RNG)可以讓消費者和企業應用的安全功能廣泛。然而，主要的偽隨機數產生器是基於軟體的或從網路的源供給的(例如，美國國家標準與技術研究院(National Institute of Standards and Technology；NIST))。基於軟體的隨機數產生器遭受增加的功率和晶片面積以運行隨機數產生器。用於RNG的標準化算法也容易出現安全威脅。軟體算法可以產生一個近似的隨機數序列，但具有由已知用於隨機測試所測量的受限品質。
現有基於磁性隧道接面(Magnetic tunnel junction；MTJ)的隨機數產生器遭受若干缺點。例如，公知基於MTJ的RNG不能產生高斯分佈的雜訊，這是用於通訊的加密中的一個最常用的處理。已知基於MTJ的 RNG的另一個缺點是它們不能用於控制隨機數產生的處理以允許變量的均值和變異被動態地改變。
120‧‧‧曲線
100‧‧‧磁性隧道接面
121‧‧‧波形
122‧‧‧波形
100‧‧‧磁性隧道接面
200‧‧‧磁性隧道接面
300‧‧‧頂視圖
400‧‧‧曲線
401‧‧‧平滑曲線
402‧‧‧樣品
420‧‧‧曲線
421‧‧‧波形
422‧‧‧波形
500‧‧‧曲線
501‧‧‧波形
502‧‧‧波形
520‧‧‧曲線
521‧‧‧波形
522‧‧‧波形
600‧‧‧曲線
601‧‧‧條
602‧‧‧條
603‧‧‧波形
604‧‧‧波形
620‧‧‧曲線
621‧‧‧波形
622‧‧‧波形
700‧‧‧曲線
701‧‧‧段
702‧‧‧段
703‧‧‧段
720‧‧‧曲線
721‧‧‧屏障
722‧‧‧屏障
800‧‧‧曲線
900‧‧‧電路
901‧‧‧低雜訊放大器
902‧‧‧類比-數位轉換器
1001‧‧‧方塊
1002‧‧‧方塊
1003‧‧‧方塊
1004‧‧‧方塊
1005‧‧‧方塊
1610‧‧‧處理器
1620‧‧‧音頻子系統
1630‧‧‧顯示子系統
1632‧‧‧顯示介面
1640‧‧‧I/O控制器
1650‧‧‧電源管理
1660‧‧‧記憶體子系統
1670‧‧‧連接性
1672‧‧‧蜂窩連接性
1674‧‧‧無線連接性
1680‧‧‧外圍連接
1690‧‧‧處理器
Φ1‧‧‧磁角
Φ2‧‧‧磁角
從下面提供的詳細描述和從本發明不同實施例的附圖中可以更充分地理解本公開的實施例，然而，其不應當被用來限制本公開內容於具體實施例，而是用於解釋和了解而已。
圖1A示出基於MTJ的RNG。
圖1B示出顯示從MTJ的感測隨機電流，及正常雜訊分佈的曲線。
圖2示出一個非共線MTJ裝置，根據本公開的一個實施例。
圖3示出非共線MTJ裝置的頂視圖，根據本公開的一個實施例。
圖4A示出一個曲線，顯示相對於用於非共線MTJ裝置的磁屏障的磁角的變異，根據本公開的一個實施例。
圖4B示出相對於用於非共線MTJ裝置的施加電壓的磁屏障的變異，根據本公開的一個實施例。
圖5A示出一個曲線，顯示用於非共線MTJ裝置的雜訊電流概率密度，根據本公開的一個實施例。
圖5B示出一個曲線，顯示用於非共線MTJ裝置的累積概率與感測的電流，根據本公開的一個實施例。
圖6A-B示出一個曲線，顯示藉由隨用於非共線MTJ 裝置的施加電壓改變磁屏障的磁雜訊的控制，根據本公開的一個實施例。
圖7A-B示出曲線，顯示藉由施加高電壓到非共線MTJ而重置非共線的MTJ的條件，根據本公開的一個實施例。
圖8示出一個曲線，顯示藉由非共線MTJ產生的電流的功率譜密度，根據本公開的一個實施例。
圖9是用於產生隨機類比/數位信號並用於施加偏壓電壓至非共線MTJ的電路，根據本公開的一個實施例。
圖10是形成非共線MTJ裝置的方法的流程圖，根據本公開的一個實施例。
圖11是一個包含具有非共線MTJ的隨機數產生器的智慧型裝置或計算機系統或系統晶片(system-on-chip；SoC)，根據本公開的一個實施例。
【發明內容及實施方式】
實施例描述了一種非共線(例如，正交)堆疊的面內磁性隧道接面(Magnetic tunnel junction；MTJ)裝置，具有電壓依賴性磁屏障作為一個可控制的隨機數產生器。在一個實施例中，隨機數產生器提供雜訊的鐘形正常高斯分佈，相較於由傳統MTJ裝置的雜訊的非鐘形分佈。在一個實施例中，MTJ自由和固定鐵磁性層相對於彼此被定位在非共線的位置以產生MTJ感測電流的正常分佈。在一個實施例中，電路被提供，以產生一偏壓 電壓，以控制MTJ自由鐵磁性層的磁屏障，以使所產生的MTJ電流的變異能控制。在一個實施例中，電路被提供，以產生一偏壓電壓，以降低MTJ的磁屏障，以使隨機數產生器的一個乾淨重置。
在以下的描述中，許多細節進行了討論，以提供本公開內容的實施例的更詳盡的解釋。然而，對於本領域技術人員，在本發明的實施例可以在沒有這些具體細節的情況下實施，這將是顯而易見的。在其他實例中，為了避免在本發明的實施例混淆，公知的結構和裝置以方塊圖的形式說明，而不是詳細地解說。
注意，在各實施例的相應附圖中，信號被用線表示。一些線可以更厚，以指示更多成分信號路徑，和/或一些線有箭頭在一個或多個端部，以指示主資訊流的方向。這種指示並不意圖是限制性的。相反地，線用於與一個或多個示例性實施例相連，以便更容易理解一個電路或邏輯單元。任何由設計需要或喜好所決定的代表信號，實際上可包括可在任一方向行進，並且可以與任何適當類型的信號方案來實現的一個或多個信號。
在整個說明書，和申請專利範圍中，“連接”一詞是指被連接的事物之間的直接電連接，沒有任何中間裝置。“耦合”一詞是指被連接的事物之間任一個直接電連接或透過一個或多個被動或主動中間裝置的間接連接。術語“電路”是指被佈置為相互協作以提供所需功能的一個或多個被動和/或主動元件。術語“信號”是指至 少一個電流信號，電壓信號或數據/時鐘信號。“一”，“一個”和“該”的意思包括複數引用。“中”的意思包括“中”和“上”。
術語“縮放”通常是指從一個處理技術轉換設計(原理圖和佈局)到另一種處理技術。術語“縮放”通常也指同樣的技術節點內小型化佈局和裝置。術語“縮放”，也可以指相對於另一參數，例如，電源準位來調整(例如，減慢)信號頻率。術語“大致上”，“接近”，“大約”，“接近”和“約”通常是指作為靶值的+/-20%內。
除非另有規定序數形容詞“第一”，“第二”和“第三”等的使用，描述一個通用對象，僅表示類似對象的不同實例被提及，並且不旨在暗示如此描述的對象必須在給定的順序，無論是時間上，空間上，等級上或任何其他方式。
為實施例的目的，電晶體是金屬氧化物半導體(metal oxide semiconductor；MOS)電晶體，其包括汲極，源極，閘極，和散裝端子。該電晶體還包括三閘和鰭式場效電晶體，全週閘圓柱電晶體或實現電晶體功能的其他裝置，像碳奈米管或自旋電子裝置。源極和汲極端子可以是相同的端子且本文可互換使用。那些熟悉此技術的人員將認識到其它的電晶體，例如雙極接合電晶體(Bi-polar junction transistors；BJT)-BJT PNP/NPN，BiCMOS，CMOS，eFET等，可以在不脫離本公開的範圍 內使用。術語“MN”表示N型電晶體(例如，NMOS，NPN BJT等)，而術語“MP”表示P型電晶體(例如，PMOS，PNP BJT等)。
圖1A示出基於MTJ100的RNG。MTJ100是傳統MTJ裝置，具有堆疊的層都在同一個線性平面中。從頂部，第一層是一個自由鐵磁性層。從頂部的第二層是從氧化鎂所形成的絕緣層。固定磁性層通常由鐵磁合金如CoFeB形成。固定層，其由從頂部起的第三層開始，是由合成反鐵磁(Synthetic anti-ferromagnetic；SAF)堆疊(即，從頂層起的第三及以下)構成。從頂部起的第三層以下的層包括Ru，CoFe，AFM形成的層，以及電極。CoFeB/Ru/CoFe的堆疊形成一個反鐵磁交換層(anti-ferromagnetic exchange layer；AFM)。底部合成SAF被天然的AFM保持，並且可以藉由PtMn或IrMn及類似的合金來形成。
操作MTJ100作為RNG，電壓偏壓Vbias被施加到自由鐵磁性層，以及一個接地耦合到MTJ100的另一端部。在施加Vbias時，一個電流流過MTJ100，並且可以在接地端子被感測。該電流具有隨機電流特性，允許MTJ100執行作為RNG。然而，藉由電流經過MTJ100產生的雜訊的分佈不是高斯分佈。
奈米磁鐵的動態特性強烈受熱雜訊影響。在奈米磁鐵中的熱雜訊表現如對於內部向異性場的波動。熱雜訊可以被認為是在傳導電子的微觀的自由度和鐵磁性元 素的晶格的結果。在室溫T，熱雜訊是由一個高斯白雜訊(具有時域狄拉克-差量自相關)描述。雜訊場向同性地作用於磁鐵上。在雜訊的存在中，朗道利弗席茲吉爾伯特(Landau Lifshitz Gilbert；LLG)方程式可以寫為 內部場被描述為： 隨機熱磁雜訊的特性是：〈H l (t)〉=0
磁鐵的初始條件被隨機化為與一個大集合的磁鐵的磁矩的初始角度的分佈是一致的。在溫度T，磁鐵的初始角度如下：
‘k’就是波茲曼常數，‘T’是溫度，Ms是飽和磁化強度，‘V’是體積，μo是磁導率，而Hani是向異性場。
圖1B示出顯示從MTJ100的感測隨機電流，及正常雜訊分佈的曲線120。x軸是mA為單位的感測電流，而y軸是電流密度。波形121是感測電流的正態分佈而波形122是當電壓Vbias被改變時的電流密度。如曲線 120中所示，MTJ100不表現出鐘形的高斯分佈。此外，MTJ100無法動態地控制隨機數產生的過程，以允許變量的均值和變異被動態地改變。
圖2示出一個非共線MTJ裝置200，根據本公開的一個實施例。需要指出的是，圖2中具有與任何其他圖的元件相同的參考數字(或名稱)的那些元件可以以類似於所描述的任何方式操作或作用，但並不限於此。
在一個實施例中，非共線MTJ裝置200包括堆疊的自由和固定鐵磁性層，它們相對於彼此是非共線的。術語“非共線”，一般指的是具有不同磁角的兩層。例如，如果一個層相對於它們的磁角正交於另一層，則這兩個層是不共線的層。在一個實施例中，MTJ200的非共線堆疊自由和固定鐵磁性層產生由MTJ200感測到的電流的正常高斯分佈。在一個實施例中，自由鐵磁性層的尺寸比固定鐵磁性層的尺寸小。在一個實施例中，端子被耦合到形成MTJ裝置的一端的自由鐵磁性層。在這樣的實施例中，MTJ裝置的另一端形成耦合到固定鐵磁性層的第二端子。在一個實施例中，第二端子是接地。
當MTJ200的實施例示出的橢圓形或圓形的堆疊的層時，堆疊的層可以是矩形的或其它形狀，只要自由鐵磁性層相對於固定鐵磁性層是不共線的。在一個實施例中，奈米磁鐵的向異性是由自由和固定鐵磁性層的形狀來控制。
在一個實施例中，電路被提供，它產生用於 自由鐵磁性層的Vbias。在一個實施例中，電路可操作以調節Vbias的準位，以控制MTJ200的磁鐵的磁屏障。在這樣的實施例中，藉由MTJ200的產生電流由於Vbias的施加允許用於控制所產生的電流的變異。在一個實施例中，電路是可操作的，藉由調節反過來降低了磁屏障的Vbias而重置自由鐵磁性層。在一個實施例中，另一個電路被提供以經過耦合到MTJ200的自由鐵磁性層的Vbias端子(這裡也稱為第一端子)感測電流。在一個實施例中，電路被提供給轉換所感測的電流成一個數位表示以提供一個隨機數產生器的種子。
圖3示出非共線MTJ裝置200的頂視圖300，根據本公開的一個實施例。需要指出的是，圖3中具有與任何其他圖的元件相同的參考數字(或名稱)的那些元件可以以類似於所描述的任何方式操作或作用，但並不限於此。
在本實施例中，頂視圖300示出了兩個橢圓/圓形形狀的物體，其代表MTJ200的自由鐵磁性層和固定鐵磁性層。在此實施例中，自由鐵磁性層和固定鐵磁性層都彼此正交，即，固定鐵磁性層的磁角Φ 1相對於自由鐵磁性層的磁角Φ 2的之間差是90度。在這樣的實施例中，在MTJ200感測到的電流中觀察到正常高斯雜訊分佈。
在一個實施例中，MTJ的電壓控制是由在並聯配置中的一個面內MTJ的屏障的下降/調諧而啟用。屏 障隨電壓而調諧為：
其中，Eb為屏障能量，Eb 0是屏障在零電壓，C1是線性電壓合作效率，C2為二次電壓係數，V是所施加的Vbias。
圖4A示出一個曲線400，顯示相對於用於非共線MTJ裝置的磁屏障的磁角的變異，根據本公開的一個實施例。需要指出的是，圖4A中具有與任何其他圖的元件相同的參考數字(或名稱)的那些元件可以以類似於所描述的任何方式操作或作用，但並不限於此。
x軸是磁鐵的強度表示為E/kT，其中“E”是MTJ磁鐵的屏障能量，“k”就是波茲曼常數，“T”是溫度。y軸是在角度的差的平方，即，(Φ2-Φ1)2，其表示相對於磁屏障強度的角度變化。此處，0.01對於磁角的正方形表示低角度變化而0.06表示高角度變化。在這裡，10E/kT表示弱的屏障，而50E/kT表示較強的屏障。曲線400說明樣品402和代表樣本的平滑曲線401。曲線400示出的熱雜訊對磁鐵的影響。在角度的變化被示為屏障的函數。
圖4B示出相對於用於非共線MTJ裝置的施加電壓的磁屏障的變異的曲線420，根據本公開的一個實施例。需要指出的是，圖4B中具有與任何其他圖的元件相同的參考數字(或名稱)的那些元件可以以類似於所描述的任何方式操作或作用，但並不限於此。
這裡，x軸是以伏特為單位的偏壓電壓。這裡，y軸是Eb(V)/Eb，其表示屏障的強度。曲線420顯示兩個波形。波形421示出了具有反並聯自由和固定鐵磁性層的MTJ裝置的情況，和在第一端子上施加的Vbias和改變磁鐵的屏障的強度之間的對應關係。波形422示出了具有平行自由和固定鐵磁性層的MTJ裝置的情況，和在第一端子上施加的Vbias和改變磁鐵的屏障的強度之間的對應關係。在這兩種(波形421和422的)情況下，自由和固定鐵磁性層是不共線的。波形421和422示出，對於MTJ200，磁屏障是可隨Vbias調節的。
圖5A示出一個曲線500，顯示用於非共線MTJ裝置的雜訊電流概率密度，根據本公開的一個實施例。需要指出的是，圖5A中具有與任何其他圖的元件相同的參考數字(或名稱)的那些元件可以以類似於所描述的任何方式操作或作用，但並不限於此。
這裡，x軸是標準化感測的電流，而y軸是經過MTJ200的電流概率密度。曲線500示出了波形501，其是示出標準化的感測電流的豎條。曲線500還示出了波形502，其是正常的高斯產生用於MTJ200的電流概率密度。相比於MTJ100，其表現出非高斯電流概率，MTJ200產生一個正常高斯產生電流概率密度，其允許MTJ200操作作為比MTJ100更好的隨機數產生器。
圖5B示出一個曲線520，顯示用於非共線MTJ裝置的累積概率與感測的電流，根據本公開的一個實 施例。需要指出的是，圖5B中具有與任何其他圖的元件相同的參考數字(或名稱)的那些元件可以以類似於所描述的任何方式操作或作用，但並不限於此。
這裡，x軸是標準化感測的電流，而y軸是MTJ200產生的雜訊電流的累積概率。曲線520示出了兩波形彼此鄰接-波形521和522。曲線520重申使用MTJ200的正常高斯電流概率的產生。使用MTJ200所產生的雜訊是由具有差量函數自相關的一個白雜訊過程或對於一個白雜訊過程的接觸功率譜密度特性進行說明。曲線520示出電流的累積分佈函數(Cumulative distribution function；CDF)遵循高斯CDF。
圖6A-B示出曲線600及620，分別顯示藉由隨用於非共線MTJ裝置的施加電壓改變磁屏障的磁雜訊的控制，根據本公開的一個實施例。需要指出的是，圖6A-B中具有與任何其他圖的元件相同的參考數字(或名稱)的那些元件可以以類似於所描述的任何方式操作或作用，但並不限於此。圖6A示出了由於MTJ200的屏障調諧而具有電壓控制的磁角的變異。圖6B示出了磁屏障具有用於MTJ200的施加電壓的變異。
對於曲線600，x軸是經過MTJ200的標準化感測的電流，而y軸是感測電流的概率密度。曲線600示出了當施加Vbias電壓是零和磁屏障能量是40kT時的情況下的感測電流條601。感測電流條602是當應用施加Vbias為0.5V且磁屏障能量為10kT(相對於601較短的 條)時的情況下。在這些實施例中，對於MTJ200，藉由調整由電路產生的Vbias，電流密度概率的尺寸/形狀被調整，因為調整Vbias調節磁屏障強度。在一個實施例中，當Vbias的電壓升高時，MTJ200的磁屏障強度減弱。
波形603是如圖6B波形621所示對於MTJ200的反並聯磁鐵的電流雜訊的正常高斯分佈。波形604是如圖6B波形622所示對於MTJ200的平行磁鐵的電流雜訊的正常高斯分佈。曲線620示出了磁鐵熱屏障可以被調諧作為電壓對於面內的磁鐵的函數。在波形621和622的形狀的變化是由在MTJ200中不同的磁鐵取向(即，621示出了當磁鐵的反並聯和622示出了當磁鐵平行的情況下的原因)。在實施例中，所施加的電壓Vbias允許磁鐵熱屏障，其反過來允許磁鐵的角度變異的控制的控制。
圖7A-B示出曲線700和720，分別顯示藉由施加高電壓到非共線MTJ而重置非共線的MTJ裝置的條件，根據本公開的一個實施例。需要指出的是，圖7A-B中具有與任何其他圖的元件相同的參考數字(或名稱)的那些元件可以以類似於所描述的任何方式操作或作用，但並不限於此。
圖7A的曲線700。示出了在由Vbias的電壓電平中的變異的MTJ200中產生的隨機電流波動。這裡，x軸為時間，y軸是在MTJ200中產生的標準化隨機電流。曲線700被分為三段，701，702，和703。段701為 低Vbias電壓在標準化的隨機電流的波動。段702是當Vbias被設定為1V時在標準化的隨機電流的波動。這段顯示了MTJ200的雜訊過程可以被重置以提供用於產生雜訊的變量的新操作條件(即隨機種子)。術語“重置”在這裡是指產生不相關的磁動力學。段703是當Vbias低於1V時在標準化的隨機電流的波動。圖7B的曲線720示出復位電壓的施加以隨機化隨機變量的位置，而圖7A示出了所得到的波動。這裡，721表示用於作為電壓函數的反並聯配置的屏障，而722示出作為電壓函數的並聯配置的屏障。
圖8示出一個曲線800，顯示藉由非共線MTJ200裝置產生的電流的功率譜密度，根據一個實施例。需要指出的是，圖8中具有與任何其他圖的元件相同的參考數字(或名稱)的那些元件可以以類似於所描述的任何方式操作或作用，但並不限於此。
在此，x軸是頻率(THz)和y軸是功率/頻率(dB/Hz)。在曲線800中的波形顯示從藉由施加Vbias的MTJ200感測和/或產生的雜訊電流的白雜訊。曲線800顯示，藉由MTJ200所產生的電流在超過一個合理的頻率範圍上幾乎沒有相關性。這意味著，MTJ200裝置可以被用作隨機雜訊產生器在大的頻率範圍上。在一個實施例中，MTJ奈米磁鐵之間的角度可以藉由製造/退火條件來控制，以使能夠用於產生雜訊的另一控制變量。
圖9是用於產生隨機類比/數位信號並用於施 加偏壓電壓至非共線MTJ裝置的電路900，根據本公開的一個實施例。需要指出的是，圖9中具有與任何其他圖的元件相同的參考數字(或名稱)的那些元件可以以類似於所描述的任何方式操作或作用，但並不限於此。
在一個實施例中，電路900包括低雜訊放大器(Low noise amplifier；LNA)901，類比-數位轉換器(Analog-to-digital converter；ADC)，電感器L和電容器C。在一個實施例中，一個直流(direct current；DC)電壓Vdc被施加到電感器L的一端。在一個實施例中，電感器的另一端耦合到電容器C的端子。在一個實施例中，電容器C的另一端被耦合到低雜訊放大器901的輸入端。在一個實施例中，LNA的輸出901是在ADC902的輸入端接收的隨機類比信號。在一個實施例中，LNA具有1dB以下的雜訊因子(noise factor；NF)。在一個實施例中，LNA901的增益是在20~30dB的範圍內。在其它實施例中，可以使用其他值用於LNA901的增益。在一個實施例中，ADC902的輸出是被邏輯單元進一步使用以產生隨機數的隨機數位信號。在一個實施例中，ADC902使用具有頻率fclk的時鐘clk而運行。
在一個實施例中，電感器“L”的另一端和電容器“C”的一端被耦合到MTJ200的第一端子。在該實施例中，Vdc提供用於Vbias的DC電平，而電感器提供Vbias。由於Vbias變化，經過MTJ200裝置的電流變化產生Irandom電流。在一個實施例中，Irandom電流提供了 一個正常高斯雜訊電流分佈。在一個實施例中，重置MTJ200裝置，Vdc升高到一個較高的電平。在一個實施例中，MTJ200裝置的第二端子耦合至接地。在一個實施例中，接地是射頻(radio-frequency；RF)接地。在一個實施例中，類比隨機數產生器是藉由使用LNA 901的輸出實現的。在一個實施例中，一個數位隨機數產生器是藉由使用ADC902的輸出來實現的。
在本實施例中，無論是Vbias施加和MTJ電流的相應感測是藉由電路900來實現。在其它實施例中，電流感測在MTJ200裝置的接地端子進行，且可調Vbias被施加到MTJ200裝置的第一端子。
圖10是形成非共線MTJ裝置的方法的流程圖1000，根據本公開的一個實施例。雖然參照圖10流程圖1000中的方塊以一個特定的順序顯示，動作的順序可以被修改。因此，圖示實施例可以以不同的順序來執行，並且一些動作/方塊可以並行地執行。一些圖10中列出的方塊和/或操作根據某些實施例是可選的。呈現的方塊的編號是為清楚起見，而並非意在用以規定的各種方塊必須產生的操作的順序。此外，從不同的流程的操作可以以各種組合利用。需要指出的是，圖10中具有與任何其他圖的元件相同的參考數字(或名稱)的那些元件可以以類似於所描述的任何方式操作或作用，但並不限於此。
在方塊1001，形成SAF堆疊，即，形成固定的鐵磁性層。在方塊1002，形成自由鐵磁性層。在方塊 1003，SAF堆疊耦合到自由鐵磁性層，使得自由鐵磁性層和SAF堆疊由MgO分離(或任何其它絕緣材料)。該SAF堆疊耦合到自由鐵磁性堆疊，使得SAF堆疊相對於自由鐵磁性堆疊是不共線的。在方塊1004，第一端子耦合到自由鐵磁性層。第一端子是用來提供偏壓電壓。在方塊1005，第二端子耦合到SAF堆疊。第二端子被耦合到接地。
圖11是一個包含具有非共線MTJ的隨機數產生器的智慧型裝置或計算機系統1600或系統晶片(system-on-chip；SoC)，根據本公開的一個實施例。需要指出的是，圖11中具有與任何其他圖的元件相同的參考數字(或名稱)的那些元件可以以類似於所描述的任何方式操作或作用，但並不限於此。
圖11示出一個行動裝置的一個實施例的方塊圖，其中可使用平坦表面介面連接器。在一個實施例中，計算裝置1600代表一個行動計算裝置，諸如計算平板，行動電話或智慧型電話，具有無線功能的電子閱讀器，或其它無線行動裝置。應該理解的是，某些部件通常示出，這樣的裝置並沒有所有的組件都示出在計算裝置1600中。
在一個實施例中，計算裝置1600包括具有非共線MTJ(例如，MTJ200)裝置的隨機數產生器的一個第一處理器1610，根據所討論的實施例。計算裝置1600的其他方塊還可以包括具有實施例的非共線MTJ裝置的 隨機數產生器。本公開內容的各種實施例還可以包括1670的內網絡介面，例如無線介面，使得系統的實施例可併入到無線裝置中，例如，手機或個人數位助理。
在一個實施例中，處理器1610(和/或處理器1690)可包括一個或多個實體裝置，例如，微處理器，應用處理器，微控制器，可程式邏輯裝置，或其它處理裝置。在一個實施例中，處理器1690是可選的。由處理器1610執行的處理操作包括一個操作平台或操作系統的執行，其中應用程式和/或裝置的功能被執行在該平台或系統上。該處理操作包括與人類使用者或與其他裝置有關的I/O(輸入/輸出)的操作，與電力管理有關的操作，和/或與連接計算裝置1600到其他裝置有關的操作。處理操作也可以包括與音頻I/O和/或顯示I/O有關的操作。
在一個實施例中，計算裝置1600包括音頻子系統1620，其表示硬體(例如，音頻硬體和音頻電路)和軟體(例如，驅動程式，編解碼器)與提供音頻功能到計算裝置相關聯的組件。音頻功能可以包括揚聲器和/或耳機輸出，以及麥克風輸入。用於這樣功能的裝置可以被集成到計算裝置1600，或連接到計算裝置1600。在一個實施例中，使用者與計算裝置1600藉由提供被由處理器1610接收和處理音頻指令而交互作用。
顯示子系統1630表示硬體(例如，顯示裝置)和軟體(例如，驅動程式)組件，其提供用於使用者與計算裝置1600交互作用的視覺和/或觸覺顯示。顯示 子系統1630包括顯示介面1632，其包括特定螢幕或用於提供顯示給使用者的硬體裝置。在一個實施例中，顯示介面1632包括與處理器1610分開的邏輯以執行有關顯示的至少某些處理。在一個實施例中，顯示子系統1630包括觸控螢幕(或觸控墊)裝置，它提供輸出和輸入兩者給使用者。
I/O控制器1640代表硬體裝置和軟體組件與使用者相關的交互作用。I/O控制器1640是可操作以管理是音頻子系統1620和/或顯示子系統1630的一部分的硬體。此外，I/O控制器1640示出了用於連接到計算裝置1600的附加裝置的連接點，使用者經過該計算裝置1600可能與系統交互作用。例如，可以連接到計算裝置1600的裝置可以包括麥克風裝置，揚聲器或立體聲系統，視頻系統或其他的顯示裝置，鍵盤或小鍵盤的裝置，或其它I/O裝置具有特定的應用，如卡片閱讀器的使用或其他裝置。
如上所述，I/O控制器1640可以與音頻子系統1620和/或顯示子系統1630進行交互作用。例如，經過麥克風或其他音頻裝置的輸入可提供對於計算裝置1600的一個或多個應用程式或功能的輸入或命令。另外，音頻輸出可被提供，而不是，或者除了顯示輸出之外。在另一個例子中，如果顯示子系統1630包括觸控螢幕，則顯示裝置還充當輸入裝置，其可以藉由I/O控制器1640可以至少部分地管理。還可以有在計算裝置1600上 附加按鈕或開關以提供由I/O控制器1640管理的I/O功能。
在一個實施例中，I/O控制器1640管理裝置，諸如加速度計，照相機，光感測器或其它環境感測器，或可以被包括在計算裝置1600中的其它硬體。輸入可以是直接的使用者交互作用，以及向系統提供環境輸入以影響其操作的一部分(如過濾雜訊，調整用於亮度檢測的顯示，施加用於照相機的閃光燈，或其它特徵)。
在一個實施例中，計算裝置1600包括電源管理1650，其用於管理電池電量，電池充電，並涉及到省電運轉功能。記憶體子系統1660包括記憶體裝置，用於儲存在計算裝置1600的資訊。記憶體可以包括非揮發性(如果到儲存裝置的功率被中斷，狀態不改變)和/或揮發性的(如果到儲存裝置的功率被中斷，狀態是不確定的)記憶體裝置。記憶體子系統1660可以儲存應用程式數據，使用者數據，音樂，照片，文件，或其他數據，以及與計算裝置1600的應用程式和功能的執行相關的系統數據(無論長期或暫時的)。
還提供了作為一個機器可讀媒體實施例的元件(例如，記憶體1660)，用於儲存計算機可執行指令(例如，實現本文所討論任何其它過程的指令)。機器可讀媒體(例如，記憶體1660)可以包括但不限於快閃記憶體，光碟，CD-ROM，DVD ROM，RAM，EPROM，EEPROM，磁卡或光學卡，相變記憶體(phase change memory；PCM)的或其它類型適合於儲存電子或計算機可執行指令的機器可讀媒體。例如，本公開的實施例可以被下載為計算機程式(例如，BIOS)，其可以從遠程計算機(例如，伺服器)藉由經由通訊鏈路(例如，數據機或網絡連接)的數據信號的方式而傳送到請求的計算機(例如，客戶端)。
連接1670包括硬體裝置(例如，無線和/或有線連接器和通訊硬體)和軟體組件(例如，驅動程式，協定堆疊)，以使計算裝置1600與外部裝置進行通訊。該計算裝置1600可以是分開的裝置，例如其他計算裝置，無線接入點或基站，以及外圍裝置，如耳機，印表機，或其它裝置。
連接性1670可以包括多個不同類型的連接性。一概而論，計算裝置1600以蜂窩連接性1672和無線連接性1674示出。蜂窩連接性1672通常指的是由無線營運商，如經過全球行動通訊系統(global system for mobile communications；GSM)，或其變異或衍生物，分碼多工多重存取(code division multiple access；CDMA)或其變異或衍生物，分時多工(time division multiplexing；TDM時分複用)或其變異或衍生物，或其它的蜂窩服務標準而設置提供的蜂窩網路連接性。無線連接性(或無線介面)1674指的是無線連接性，是不是蜂窩，並且可以包括個人區域網路(例如藍牙，近場等)，局域網路(如Wi-Fi)，和/或寬區域網絡(如WiMAX)，或其他無線 通訊。
外圍連接1680包括硬體介面和連接器，以及軟體組件(例如，驅動程式，協定堆疊)以製作外圍連接。應當理解，計算裝置1600可以同時為一個外圍裝置(“到”1682)到其它計算裝置，以及使外圍裝置(“從”1684)連接到它。該計算裝置1600通常具有“對接”連接器以連接到其他計算裝置，為了如管理在計算裝置1600上(例如，下載和/或上傳，改變，同步)的內容的目的。此外，一個對接連接器可以允許計算裝置1600連接到某些允許計算裝置1600來控制例如，對音像或其他系統，的內容輸出的外圍裝置。
除了一個專有對接連接器或其他專有連接硬體，計算裝置1600可以經由公共或基於標準的連接器製作外圍連接1680。常見的類型可包括通用串列匯流排(Universal Serial Bus；USB)連接器(其可以包括任何數量的不同的硬體介面)，包括MiniDisplayPort(MDP)的顯示埠，高解析度多媒體介面(High Definition Multimedia Interface；HDMI)，火線，或其它類型。
參考在說明書中對“實施例”，“一個實施例”，“一些實施例”，或者“其他實施例”是指與實施例相關描述的一個特定的特徵，結構，或特性被包括在至少一些實施例中，但不一定是所有實施例中。“實施例”，“一個實施例”或“一些實施例”的各種出現不一定全部指相同的實施例。如果說明書指出一個部件，特 徵，結構或特性“可以”，“也許”，或“可能”被包括，則該特定組件，特徵，結構，或特性不必要被包括在內。如果說明書或申請專利範圍引用“一”或“一個”元件，這並不意味著只存在的元件之一。如果說明書或申請專利範圍提及“一個附加”元件，這並不排除存在多於一個的附加元件。
此外，特定的特徵，結構，功能或特性可在一個或多個實施例中以任何合適的方式被組合。例如，第一實施例可以與第二實施例的特定特徵，結構，功能的任何地方相結合，或者與這兩個實施例相關的特徵不是相互排斥的。
而本公開已經結合其具體實施例進行了描述時，這種實施例的許多替代，修改和變型對於那些在本領域中的普通技術人員按照前述說明將是顯而易見的。例如，其他的記憶體架構，例如，動態RAM(Dynamic RAM；DRAM)可使用所討論的實施例。本公開的實施例旨在包括所有這些替代，修改和變化落入所附申請專利範圍的範圍之內。
此外，公知連接到集成電路(Integrated circuit；IC)晶片和其他部件的電源/接地可以或可以不在所呈現的附圖中被示出，為了簡化說明和討論，並以免模糊本公開內容。此外，可以以方塊圖形式示出佈置，以避免模糊本公開，並且也鑑於以下事實，即對於實施此類方塊圖佈置的細節是高度依賴於平台，其中將本公開內容是 要在該平台內實施(即，此細節應在本領域技術人員的範圍內是佳的)。其中，特定的細節(例如，電路)列於為了描述本公開示例的實施例，對本領域技術人員應顯而易見，本公開可以實施而無，或具有的，這些具體細節的變化。因此，描述要視為說明性的而不是限制性的。
下面的實施例涉及到進一步的實施例。實施例中的細節可在一個或多個實施例中的任何地方被使用。本文所描述的裝置的所有可選特徵也可以相對於一個方法或過程來實現。
例如，在一個實施例中，一種用於隨機數產生的裝置，該裝置包含：一自由鐵磁性層；一固定鐵磁性層，位在相對於該自由鐵磁性層的一非共線方向上；和一第一端子，耦合到該自由鐵磁性層，該第一端子提供一偏壓電壓到該自由鐵磁性層。在一個實施例中，所述之裝置，更包含一第二端子，耦合到該固定鐵磁性層。在一個實施例中，該第二端子耦合到接地。
在一個實施例中，所述之裝置，更包含一電路，以一可調節電壓準位產生該偏壓電壓。在一個實施例中，該電路可操作以藉由調節該偏壓電壓來重置該自由鐵磁性層。在一個實施例中，該電路可操作以藉由調節該偏壓電壓來隨機化經過該第一端子的電流。在一個實施例中，該自由鐵磁性層和該固定鐵磁性層形成一堆疊面內磁性隧道接面(Magnetic tunnel junction；MTJ)裝置。
在一個實施例中，所述之裝置，更包含一電 流感測器，感測經過該第一端子的電流，該電流由於該偏壓電壓產生。在一個實施例中，該自由鐵磁性層位於相對於該固定鐵磁性層90度。
在另一實例中，提供了一種系統，包含：一記憶體；一處理器，耦合到該記憶體，該處理器具有上面的裝置；和一無線介面，用於允許該處理器與另一裝置通訊。
在另一實例中，在一個實施例中，提供了一種具有一隨機數產生器的集成電路，該集成電路包含：一磁性隧道接面(Magnetic tunnel junction；MTJ)裝置，具有非共線定位的自由和固定鐵磁性層；和一電路，提供一可調節的偏壓電壓到該自由鐵磁性層，該電路控制由該MTJ裝置所感測的電流的變異。在一個實施例中，所述之集成電路，更包含一第一端子，耦合到該自由鐵磁性層以接收該可調節的偏壓電壓。
在一個實施例中，所述之集成電路，更包含一電流感測器，感測經過該第一端子的電流，該電流由於該偏壓電壓產生。在一個實施例中，該電路可操作以藉由調節該偏壓電壓來重置該自由鐵磁性層。在一個實施例中，在一個實施例中，該電路可操作以藉由調節該偏壓電壓來隨機化經過該第一端子的電流。在一個實施例中，該自由鐵磁性層位於相對於該固定鐵磁性層90度。
在另一實例中，在一個實施例中，提供了一種系統，它包括一個記憶體；耦合到記憶體的集成電路， 根據上面討論的該集成電路，該集成電路具有隨機數產生器；以及無線介面，用於允許處理器與另一裝置通訊。
提供一個將允許讀者確定技術公開的性質和要點之摘要。提出摘要是以理解它不會被用於限制申請專利範圍的範圍或含義。下面的申請專利範圍由此被結合到實施例中，每個申請專利範圍自身作為單獨的實施例。

Claims (19)

  1. 一種用於隨機數產生的裝置，該裝置包含：一自由鐵磁性層；一固定鐵磁性層，位在相對於該自由鐵磁性層的一非共線方向上；和一第一端子，耦合到該自由鐵磁性層，該第一端子提供一偏壓電壓到該自由鐵磁性層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，更包含一第二端子，耦合到該固定鐵磁性層。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中該第二端子耦合到接地。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，更包含一電路，以一可調節電壓準位產生該偏壓電壓。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之裝置，其中該電路可操作以藉由調節該偏壓電壓來重置該自由鐵磁性層。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之裝置，其中該電路可操作以藉由調節該偏壓電壓來隨機化經過該第一端子的電流。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該自由鐵磁性層和該固定鐵磁性層形成一堆疊面內磁性隧道接面(Magnetic tunnel iunction；MTJ)裝置。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，更包含一電流感測器，感測經過該第一端子的電流，該電流由於該偏壓電壓產生。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該自由鐵磁性層位於相對於該固定鐵磁性層90度。
  10. 一種具有一隨機數產生器的集成電路，該集成電路包含：一磁性隧道接面(Magnetic tunnel junction；MTJ)裝置，具有非共線定位的自由和固定鐵磁性層；和一電路，提供一可調節的偏壓電壓到該自由鐵磁性層，該電路控制由該MTJ裝置所感測的電流的變異。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之集成電路，更包含一第一端子，耦合到該自由鐵磁性層以接收該可調節的偏壓電壓。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之集成電路，更包含一電流感測器，感測經過該第一端子的電流，該電流由於該偏壓電壓產生。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之集成電路，其中該電路可操作以藉由調節該偏壓電壓來重置該自由鐵磁性層。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之集成電路，其中該電路可操作以藉由調節該偏壓電壓來隨機化經過該第一端子的電流。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之集成電路，其中該自由鐵磁性層位於相對於該固定鐵磁性層90度。
  16. 一種系統，包含：一記憶體； 一處理器，耦合到該記憶體，該處理器具有如申請專利範圍第1至9項任一項的裝置；和一無線介面，用於允許該處理器與另一裝置通訊。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之系統，更包含一顯示單元。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之系統，其中該顯示單元是一觸控螢幕。
  19. 一種系統，包含：一記憶體；一處理器，耦合到該記憶體，該處理器具有如申請專利範圍第10至15項任一項的集成電路；和一無線介面，用於允許該處理器與另一裝置通訊。
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