在過去的幾十年中，計算機(jī)性能的提升主要依賴于硅基半導(dǎo)體器件的持續(xù)小型化。隨著器件的尺寸逐漸逼近物理極限，運行功耗的大幅提升和可靠性的下降正逐漸成為制約計算機(jī)進(jìn)一步發(fā)展的障礙。在尺度效應(yīng)的紅利耗盡之后，摩爾定律的延續(xù)依賴新材料的開發(fā)和器件構(gòu)型的技術(shù)創(chuàng)新。得益于響應(yīng)速度快、集成密度高和非易失性等技術(shù)優(yōu)勢，磁性材料和磁性器件從眾多超摩爾創(chuàng)新中脫穎而出。IBM在2008年公布了新一代的存儲技術(shù)：基于電磁耦合的Racetrack賽道存儲技術(shù)。該技術(shù)融合了機(jī)械硬盤和閃存的特點，同時具備大的存儲容量和高的存儲速度。存儲器件的突破給邏輯器件的發(fā)展帶來了新的曙光和動力。磁邏輯器件是傳統(tǒng)CMOS邏輯器件的有力接替者，也是近年來的科研熱門。磁邏輯器件具有本征的非易失存儲和邏輯運算的功能，可以實現(xiàn)存儲內(nèi)計算（logic-in-memory），從而可能創(chuàng)造出一種非馮諾伊曼結(jié)構(gòu)的計算機(jī)，來支持諸如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等需要海量數(shù)據(jù)存儲和運算的新型應(yīng)用。然而，現(xiàn)存的磁邏輯器件的控制大多依賴外界磁場的干預(yù)，實際應(yīng)用比較困難。
瑞士蘇黎世理工學(xué)院（ETH Zürich）和瑞士保羅謝勒研究所（Paul Scherrer Institute）的羅昭初博士、Laura Heyderman教授和Pietro Gambardella教授及其合作研究團(tuán)隊近日在全電驅(qū)動磁邏輯器件方面取得重要進(jìn)展。這項研究在Racetrack賽道技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過對賽道結(jié)構(gòu)的改進(jìn)引入了穩(wěn)定可控的磁疇結(jié)構(gòu)，并利用相鄰磁疇之間的手性耦合作用，實現(xiàn)了邏輯器件的功能和全電驅(qū)動。該研究成果（Current-driven magnetic domain-wall logic）于2020年03月12日發(fā)表于《自然》（Nature）雜志上（Nature, 2020. doi.org/10.5281/zenodo.3557288.）
該研究展示的全電驅(qū)動磁邏輯器件由Pt/Co/AlOx三層結(jié)構(gòu)的納米線組成。器件結(jié)構(gòu)和工藝過程如圖1a所示。鍍于Si/SiNx基底的Pt/Co/Al三層薄膜，經(jīng)光刻和離子束刻蝕形成納米線結(jié)構(gòu)，最后經(jīng)Al層的局部氧化形成器件。器件的初始磁化狀態(tài)如圖1b所示，Co層中呈現(xiàn)三種磁化方向。兩個取向相反的面外磁疇被一個面內(nèi)磁疇隔開（面外和面內(nèi)磁疇分別對應(yīng)AlOx和Al下方區(qū)域），并且相鄰磁疇的取向呈特定的手性特征（圖1b中為左手性）。這樣的手性特征來源于以下幾個因素的平衡作用：（一）Pt-Co界面處自旋-軌道耦合作用和Co-AlOx界面處的Co-O作用使Co層的磁化方向偏向于垂直方向（垂直磁各向異性）；（二）Pt-Co界面處的Dzyaloshinskii–Moriya interaction（DMI）作用迫使相鄰磁疇的取向互相垂直，并呈手性；（三）Co-Al界面處垂直磁各向異性相對較弱，為面內(nèi)取向的形成創(chuàng)造了條件。這種穩(wěn)定的手性耦合意味著單邊面外取向的翻轉(zhuǎn)必然導(dǎo)致面內(nèi)以及另一邊面外取向的翻轉(zhuǎn)，這就實現(xiàn)了邏輯非門的功能。圖1c演示了該器件實現(xiàn)邏輯功能的原理和過程。左邊取向朝下的磁疇局部翻轉(zhuǎn)后在與未翻轉(zhuǎn)區(qū)域接壤的邊界形成磁疇壁。在通電情況下，電子流在自旋霍爾效應(yīng)的驅(qū)使下在Pt層發(fā)生偏轉(zhuǎn)形成垂直方向的自旋流。自旋流的注入在疇壁處產(chǎn)生自旋-軌道矩（圖1c中的HSOT），迫使疇壁處磁化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動從而推動疇壁向前移動，直至賽道上所有的磁疇都發(fā)生翻轉(zhuǎn)。如圖1d所示，作者利用磁-光克爾效應(yīng)顯微鏡（MOKE）實時觀測證實了這一過程。
作者以圖１b所示的非門結(jié)構(gòu)作為基本模塊，進(jìn)一步構(gòu)建了一種可重構(gòu)的與非（NAND）/或非（NOR）邏輯門。如圖2a所示，該邏輯門由兩個輸入端（a和b），一個bias端和一個輸出端構(gòu)成。輸入端a，b和bias端構(gòu)成了一個多數(shù)決定邏輯門。通過控制bias端的初始狀態(tài)，可以實現(xiàn)與非/或非的切換。作者在與非和或非架構(gòu)下分別制作了四個器件，對應(yīng)四種輸入狀態(tài)，并使用高分辨磁力顯微鏡（MFM）驗證了器件的有效性。磁性與非和或非門的實現(xiàn)具有重要意義，因為它們是邏輯運算的核心，任意布爾邏輯都可以由單個或多個與非/或非門的組合來實現(xiàn)。如圖3b和c所示，通過多個與非門的直接級聯(lián)，分別實現(xiàn)了半加器和全加器的功能。作者還進(jìn)一步對磁邏輯器件的功能進(jìn)行了拓展。利用如圖3a所示的Y型結(jié)構(gòu)，可以使用電信號來實現(xiàn)磁輸入信號的選擇和分配。
通過以上實驗，作者展示了一種全新的磁邏輯器件設(shè)計，并論證了該型器件的邏輯功能和全電驅(qū)動性。雖然在實驗中為了簡化設(shè)計，器件的初始化和信號讀取仍然需要分別借助外界磁場和磁信號檢測設(shè)備，但是正如作者在論文中所指出的，這些外部輔助手段完全可以通過成熟的可植入技術(shù)如磁性隧道結(jié)（magnetic tunnel junctions）來替代。全電驅(qū)動的磁邏輯器件憑借其高度的集成化、超快的響應(yīng)速度、非易失性和低功耗，有望在不久的將來取代電子邏輯器件，和磁性存儲器一起開啟計算機(jī)發(fā)展的新篇章。
該工作中的MFM測試是在Bruker公司的Dimension ICON原子力顯微鏡系統(tǒng)上完成的。? PS：感謝論文第一作者羅昭初博士對本文的勘誤！
論文鏈接:
