[论文解读] CoMET: Composite-Input Magnetoelectric-Based Logic Technology

Meghna G. Mankalale, Zhaoxin Liang+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2016

Multiferroics and related materials参考文献 29被引用 2

一句话总结

本文提出CoMET，一种自旋电子逻辑器件，利用复合铁电-铁磁结构实现低电压、高速且能效高的逻辑运算。通过在铁电电容器上施加电压，利用磁电效应在垂直磁各向异性（PMA）铁磁互联线上生成畴壁，再通过自旋霍尔电流快速传播，最终通过逆磁电效应产生输出电压。优化后的7nm CoMET器件在反相器中实现99 ps延迟和68 aJ能量，在MAJ3门电路中实现135 ps/85 aJ性能。

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.

研究动机与目标

• 主要目标是开发一种自旋电子逻辑技术，其速度和能效性能可与CMOS技术比肩或超越。
• 本文旨在解决实现亚100 ps延迟与亚100 aJ每操作能量的挑战，以满足竞争性自旋电子逻辑的要求。
• 通过一种新型双轨反相器电路结构，实现高效器件级联。
• 研究材料参数如何影响器件性能，以识别实现低延迟与低能耗的最优配置。
• 目标是展示一种基于磁电效应与畴壁运动的实用且可扩展的逻辑技术。

提出的方法

• 该器件采用面内各向异性（IMA）铁磁体（FM）与垂直磁各向异性（PMA）FM互联线构成的复合结构。
• 在铁电（FE）电容器上施加输入电压，产生电场，通过磁电（ME）效应，借助自旋-轨道耦合在PMA-FM中诱导出畴壁（DW）。
• 通过PMA-FM下方的高电阻率自旋霍尔材料（SHM）注入电荷电流，利用自旋霍尔力矩与Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）实现DW在通道内快速向输出端传播。
• 在输出端，逆磁电效应在第二个FE电容器上产生可测量的电压，通过一种新型双轨反相器电路进行读出，以实现高效级联。
• 通过系统性调节关键参数：饱和磁化强度（MS）、单轴各向异性（KU）、DMI常数（A）、阻尼系数（α）和电流密度（Jc），探索设计空间。
• 利用微磁模型与电路级分析进行仿真，评估反相器（INV）与多数逻辑门（MAJ3）配置下的延迟（TCoMET）与能量（ECoMET）。

实验结果

研究问题

• RQ1 复合IMA-FM/PMA-FM结构能否在≤150 mV低电压下实现高速、低能耗的畴壁成核？
• RQ2 在PMA-FM通道中，电流驱动的畴壁运动与其它畴壁传播机制相比，在速度与鲁棒性方面表现如何？
• RQ3 在MS、KU、A、α、Jc等材料参数中，何种最优组合可使CoMET逻辑门实现最小延迟与最低能耗？
• RQ4 新型双轨反相器电路能否在无需信号再生的情况下，实现CoMET器件的高效、低能耗级联？
• RQ5 在7nm技术节点下，CoMET可实现的延迟与能量性能指标是多少？

主要发现

• 由于强交换耦合导致PMA-FM磁化预先倾斜，复合IMA-FM/PMA-FM结构可在仅110 mV输入电压下实现畴壁成核。
• 对于7nm CoMET器件，优化后的反相器实现98.6 ps延迟与68.4 aJ能量耗散。
• 在7nm节点下，MAJ3门电路实现134.8 ps延迟与85.2 aJ能量，其能效优于基于CMOS的MAJ3（361.6 aJ vs. 85.2 aJ）。
• 双轨反相器电路实现高效级联，信号衰减极小，无需重复放大。
• 设计空间探索表明，提高电流密度（Jc）最初能显著降低延迟，但当Jc超过10^12 A/m²后增益递减，表明存在速度与能耗之间的权衡。
• 确定MS,PMA-FM = 0.3×10⁶ A/m、KU,PMA-FM = 0.5×10⁶ J/m³与A = 10 pJ/m为实现低延迟、低能耗运行的最优材料参数组合。