[논문 리뷰] CoMET: Composite-Input Magnetoelectric-Based Logic Technology

Meghna G. Mankalale, Zhaoxin Liang외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 29.

Multiferroics and related materials참고 문헌 29인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 저전압, 고속, 에너지 효율적인 논리 연산을 가능하게 하는 스핀트로닉스 논리 장치인 CoMET을 제안한다. 유전체 커패시터에 전압을 인가함으로써, 수직 자기이방성(PMA) 페로자성 인터커넥트에서 자성비대칭 효과를 통해 도메인 월이 형성되고, 스핀홀 효과를 이용한 스핀-홀 전류를 통해 빠르게 전파되어 역자성비대칭 효과를 통해 출력 전압을 생성한다. 최적화된 7nm CoMET 장치는 인버터에서 99 ps 지연과 68 aJ 에너지를 달성하였으며, MAJ3 게이트는 135 ps/85 aJ를 기록하였다.

ABSTRACT

This work proposes CoMET, a fast and energy-efficient spintronics device for logic applications. An input voltage is applied to a ferroelectric (FE) material, in contact with a composite structure - a ferromagnet (FM) with in-plane magnetic anisotropy (IMA) placed on top of an intra-gate FM interconnect with perpendicular magnetic anisotropy (PMA). Through the magnetoelectric (ME) effect, the input voltage nucleates a domain wall (DW) at the input end of the PMA-FM interconnect. An applied current then rapidly propagates the DW towards the output FE structure, where the inverse-ME effect generates an output voltage. This voltage is propagated to the input of the next CoMET device using a novel circuit structure that enables efficient device cascading. The material parameters for CoMET are optimized by systematically exploring the impact of parameter choices on device performance. Simulations on a 7nm CoMET device show fast, low-energy operation, with a delay/energy of 98ps/68aJ for INV and 135ps/85aJ for MAJ3.

연구 동기 및 목표

• . 주요 목표는 속도와 에너지 효율성 면에서 CMOS를 충족하거나 초월하는 스핀트로닉스 논리 기술을 개발하는 것이다.
• 논문의 목적은 경쟁 가능한 스핀트로닉스 논리 기술을 위해 100 ps 이내 지연과 100 aJ 이내 에너지 소모를 달성하는 데 도전하는 데 있다.
• 새로운 双레일 인버터 회로 구조를 통해 효율적인 장치 연쇄를 가능하게 하고자 한다.
• 재료 파라미터가 장치 성능에 미치는 영향을 조사하여 저지연, 저에너지 운영에 최적의 구성 조합을 규명하고자 한다.
• 자기비대칭 효과와 도메인 월 운동을 기반으로 실용적이고 확장 가능한 논리 기술을 구현하는 것이 목표이다.

제안 방법

• . 장치는 평면 이방성(IME) 페로자성체(FM)와 수직 자기이방성(PMA) FM 인터커넥트로 구성된 복합 구조를 사용한다.
• 유전체(FE) 커패시터에 인가된 입력 전압은 전기장을 생성하고, 자성비대칭(ME) 효과를 통해 스핀-오비트 결합을 통해 PMA-FM에서 도메인 월(DW)이 형성된다.
• 고저항 스핀홀 재료(SHM) 아래에 있는 PMA-FM를 통해 전하 전류가 주입되어 스핀홀 토크와 진동수-모리야 상호작용(DMI)을 통해 도메인 월이 출력 끝으로 빠르게 이동한다.
• 출력부에서는 역자성비대칭 효과가 두 번째 유전체 커패시터를 통해 측정 가능한 전압을 생성하며, 이는 효율적인 연쇄를 위한 새로운 双레일 인버터 회로로 읽어낸다.
• 주요 파라미터인 포화 자화(MS), 축방향 이방성 에너지(KU), DMI 상수(A), 감쇠 계수(α), 전류 밀도(Jc)를 변화시켜 설계 공간을 체계적으로 탐색한다.
• 지연(TCoMET)과 에너지(ECoMET)를 평가하기 위해 마이크로자기 모델링과 회로 수준 분석을 사용한 시뮬레이션을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 복합 IMA-FM/PMA-FM 구조는 강한 교환 결합으로 인해 PMA-FM 자화가 사전 기울여지므로, 150 mV 이하의 저전압에서 고속, 저에너지 도메인 월 형성을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 PMA-FM 채널에서 전류 구동 도메인 월 운동이 다른 도메인 월 전파 메커니즘과 비교해 속도와 내구성 면에서 어떻게 다른가?
• RQ3 CoMET 기반 논리 게이트의 지연과 에너지를 최소화하는 데 최적의 재료 파라미터 조합(MS, KU, A, α, Jc)은 무엇인가?
• RQ4 새로운 双레일 인버터 회로는 신호 재증폭 없이도 효율적이고 저에너지의 CoMET 장치 연쇄를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 7nm 공정 노드에서 CoMET의 실현 가능한 지연 및 에너지 성능 지표는 무엇인가?

주요 결과

• . 복합 IMA-FM/PMA-FM 구조는 강한 교환 결합으로 인해 PMA-FM 자화가 사전 기울여지므로, 도메인 월 형성이 뿐만 아니라 110 mV의 낮은 입력 전압에서 가능하다.
• 7nm CoMET 장치에서 최적화된 인버터는 지연 98.6 ps, 에너지 소모 68.4 aJ를 달성하였다.
• 7nm 노드에서 MAJ3 게이트는 지연 134.8 ps, 에너지 85.2 aJ를 기록하였으며, CMOS 기반 MAJ3보다 에너지 효율성이 뛰어나 (361.6 aJ 대비 85.2 aJ) 우수하다.
• 이중레일 인버터 회로는 신호 열화를 최소화하여 효율적인 연쇄를 가능하게 하여 반복 증폭이 필요 없음을 입증하였다.
• 설계 공간 탐색 결과, 전류 밀도(Jc)를 증가시키면 초반에는 지연이 크게 감소하지만, 10^12 A/m²를 초과하면 수익 감소가 나타나 속도와 에너지 간의 상충 관계가 드러났다.
• MS,PMA-FM = 0.3×10⁶ A/m, KU,PMA-FM = 0.5×10⁶ J/m³, A = 10 pJ/m 등의 재료 파라미터가 저지연, 저에너지 작동에 최적임을 규명하였다.