清华大学南天翔课题组合作提出一种基于磁振子的新型逻辑器件

近日，清华大学集成电路学院南天翔课题组及合作者提出利用电压原位控制铁酸铋异质结构中的多铁磁振子自旋力矩，从而实现可重构逻辑存储器。

图1.多铁性磁振子自旋力矩器件的工作原理

通过发展一类能够在同一器件中既能执行信息存储也能实现逻辑运算的非易失性存储器，可以实现存内计算，并有望发展超低能耗的人工智能。现有的存内计算设备主要基于电荷传输，这一过程不可避免地会产生焦耳热。近期的研究发现磁振子可以在亚铁磁和反铁磁绝缘体中传输自旋而不涉及电荷运动，在作为信息载体处理和传输信息时不产生明显的热耗散，是开发低耗散自旋逻辑-存储设备的有效途径。非相干磁振子可以在直流电路中被电（或者热）激发，使其与当前的半导体技术兼容。另一方面，在实际应用中，通过施加栅极电压来实现磁振子逻辑运算也十分重要。然而，目前在室温下操纵磁振子流传输的技术主要依赖于通过施加磁场来重新调整磁性序或调节磁畴结构。

该研究将多铁性材料与磁振子存储器相结合进行电路设计，利用多铁性材料实现对磁振子力矩的非易失性调控，并提出了一种栅极电压调控可重构磁振子逻辑存储器。该逻辑存储器包括多个位于同一个电流通道上的铁磁/多铁性铁酸铋BiFeO₃存储单元。通过在电流通道中施加电流脉冲，可以在多铁性材料中产生非相干磁振子流，并通过磁振子力矩将自旋信息并行地、非易失性地写入多个存储单元。通过原位施加栅极电压脉冲翻转铁电极化，实现了对磁振子自旋传输的非易失性控制。

研究团队进一步提出并演示了一种基于多铁性磁振子自旋力矩的可重构逻辑存储器。这赋予了该逻辑存储器在不改变电路拓扑的情况下，可以被重构实现16种布尔代数运算的能力。该器件减少了中间计算参数复制的必要性，显著降低了内存区域开销和功耗，并消除了断电后重新加载数据的需要。这些特点凸显了多铁性磁振子器件在低功耗存内计算方面的潜力。

图2.室温下基于磁振子力矩的信息写入

图3.室温下原位非易失性电压调控磁振子力矩

图4. 基于多铁性磁振子力矩的可重构逻辑存储器

近日，相关研究成果以“电压调控多铁磁振子力矩实现可重构逻辑存储器”（Voltage control of multiferroic magnon torque for reconfigurable logic-in-memory）为题，在线发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。

清华大学集成电路学院副教授南天翔、材料学院副教授易迪和教授林元华为论文通讯作者，清华大学集成电路学院博士后柴亚红、博士后梁宇晗、2022级博士生肖灿诚为论文共同第一作者。其他重要合作者还包括集成电路学院教授吴华强、副教授唐建石，材料学院教授谷林、副教授马静，物理系教授于浦、副教授江万军，高等研究院博士后李博，中国科学院物理所副研究员张庆华等。美国威斯康星大学麦迪逊分校教授严昌范（Chang-Beom Eom）、美国康奈尔大学教授丹尼尔C·拉尔夫（Daniel C. Ralph）、波兰克拉科夫AGH大学副教授维托尔德·斯科沃兰斯基（Witold Skowroński）提供了重要讨论和支持。研究得到国家自然科学基金和清华大学自主科研项目的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-50372-3