基于自脉冲激活的二维材料结构的SOT-MTJ：一种适用于锂离子电池架构的可扩展且节能的写入电路

《IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems》：Self-SHE Pulse-Enabled 2-D Material-Based SOT-MTJ: A Scalable and Energy-Efficient Write Circuit for LiM Architectures

自旋轨道扭矩磁隧道结（SOT-MTJ）器件因在低功耗计算中的潜力备受关注，但传统写入电路依赖外部自旋霍尔效应（SHE）脉冲，导致能耗高和设计复杂。本文提出一种新型自SHE脉冲生成技术，消除外部脉冲需求并简化电路，同时采用二维材料SOT-MTJ提升电荷-自旋转换效率。该写入电路集成在1位算术逻辑单元（ALU）中，扩展至4位验证可扩展性。45nm CMOS仿真显示面积效率提升16.05%，能耗降低20.72%，全加器能耗效率更优25.2%。蒙特卡洛模拟验证了氧化层和自由层厚度变化下的鲁棒性。通过消除外部SHE脉冲需求并利用二维SOT-MTJ技术，为低功耗高速可扩展逻辑存储器架构提供了重要突破。

　　

摘要：

自旋轨道扭矩磁隧道结（SOT-MTJ）器件因其在能效计算方面的优势而受到广泛关注，尤其是在逻辑集成内存（LiM）架构中。然而，传统的基于SOT-MTJ的写入电路由于依赖外部产生的自旋霍尔效应（SHE）脉冲而存在过高的功耗问题，这需要复杂的同步机制和额外的电路开销。本文提出了一种新型的自SHE脉冲生成技术，无需外部SHE脉冲，从而简化了电路设计并显著降低了能耗。此外，所提出的设计采用了基于二维材料的SOT-MTJ，该材料具有更高的电荷到自旋转换效率，进一步提升了写入性能。所提出的写入电路被集成到1位算术逻辑单元（ALU）中，并进一步扩展到4位ALU，以展示其在LiM应用中的可扩展性。使用45纳米CMOS技术和Verilog-A模型对二维SOT-MTJ进行的仿真结果表明，与传统依赖SHE脉冲的SOT-MTJ写入电路相比，该电路在面积效率上提高了16.049%，能耗降低了20.72%。此外，包含该写入电路的全加器在能耗方面比现有设计提高了25.2%。蒙特卡洛仿真验证了该方法在氧化物层和自由层厚度变化条件下的稳健性。通过消除对外部SHE脉冲的需求并利用二维SOT-MTJ技术，本文为实现低功耗、高速度和可扩展的自旋电子计算架构迈出了重要一步，使其成为下一代基于LiM的处理器的有力候选者。

引言

自旋电子学是一种新兴技术，它利用电子的自旋特性以及电荷特性来实现高效的数据处理和存储。与存在电荷泄漏问题的CMOS技术不同，自旋电子器件是非易失性的（NV），在断电情况下仍能保持其磁化状态[1]。这使得自旋电子学特别适用于大数据、人工智能（AI）以及信息和通信技术（ICT）等领域。磁隧道结（MTJ）作为自旋电子器件的关键组成部分，是磁阻随机存取存储器（MRAM）的基础，并广泛应用于逻辑集成内存（LiM）架构中[2]、[3]。通过结合自旋电子学的非易失性和高效性与CMOS技术的功能，基于MTJ的LiM架构能够提供快速的读写操作、优异的耐用性和较低的功耗，使其成为下一代计算系统的有希望的解决方案[4]、[5]。