[发明专利]基于SOT-MTJ的非易失布尔逻辑运算电路及方法

说明书

本发明公开了一种基于SOT‑MTJ的非易失布尔逻辑运算电路，包括MTJ写电路模块、MTJ逻辑树模块和预充电放大器模块，所述MTJ写电路模块用于给各个所述SOT‑MTJ写入一个MTJ状态，所述MTJ状态包括平行态和反平行态；所述MTJ逻辑树模块用于根据所述MTJ状态控制各所述SOT‑MTJ连接成的电路的电阻值的大小；所述预充电放大器模块用于根据所述电阻值的大小，输出所述MTJ状态对应的布尔逻辑结果。本发明通过给MTJ逻辑树模块中的SOT‑MTJ写入MTJ状态，控制SOT‑MTJ的电阻值，根据SOT‑MTJ连接成的电路的电阻值的大小输出布尔逻辑结果，且SOT‑MTJ的电阻值不会因为掉电而丢失，实现了非易失的布尔逻辑；由于SOT‑MTJ的小尺寸设计，且兼容CMOS工艺，实现了小尺寸器件的存内计算架构。本发明可广泛应用于电子技术领域。

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别是涉及基于SOT-MTJ的非易失布尔逻辑运算电路及方法。

背景技术

作为一种主流的计算机架构，冯诺依曼架构的特点在于将数据的计算与存储分开，数据在经过计算单元处理后需要经过额外的传输线传输至存储单元，随着器件特征尺寸的减小，冯诺依曼架构存在明显的数据传输效率低和泄漏功耗高的现象，即“存储墙”问题。同时，现有的构逻辑器件主要由CMOS电路构成，但是随着CMOS器件特征尺寸逐步接近量子极限，器件的量子效应和短沟道效应越来越明显，电子自旋作用越来越难以忽视，导致现有逻辑器件功耗增高而性能提升缓慢，器件的稳定性也变差。并且现有的CMOS逻辑电路在掉电后数据会丢失，不具备数据的非易失性，需要通过不断供电以维持数据，从而产生了额外的功耗。

为了突破冯诺依曼架构的瓶颈，相关研究人员提出了若干新型器件和电路结构，其中较为著名的是磁隧道结(magnetic tunnel junction,MTJ)。MTJ通过两个不同的阻态表示逻辑的“0”状态和“1”状态，替代了传统CMOS电路的电压表示方法。MTJ的阻态不会因为掉电而丢失，具有非易失性；MTJ的读写电流小、读写速度快、可无限擦写并且可实现小尺寸，并且因其可兼容CMOS工艺，实现存内计算，解决“存储墙”问题。自旋轨道矩磁隧道结(spin-orbit torque magnetic tunnel junction,SOT-MTJ)作为一种新兴的MTJ器件，引起了广泛的关注。实现存内计算需要设计电路以实现16种非易失的布尔逻辑，从而使得所存数据能够原位计算而无需传输至额外的处理模块进行计算。然而，目前还没有成熟的基于SOT-MTJ的存储系统或存算融合架构出现。因此，关于SOT-MTJ与CMOS混合的非易失逻辑的设计实现不仅是契合现代计算机体系演进方向的研究，且在解决冯诺依曼计算架构的”存储墙”限制方面也具有巨大潜力，具有重要的研究意义和潜在经济价值。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种基于SOT-MTJ的非易失布尔逻辑运算电路及方法，能够实现16种非易失的布尔逻辑及一位全加器，并实现数据的存内计算。

一方面，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于SOT-MTJ的非易失布尔逻辑运算电路，包括：

MTJ写电路模块，用于给各个所述SOT-MTJ写入一个MTJ状态，所述MTJ状态包括平行态和反平行态；

MTJ逻辑树模块，用于根据所述MTJ状态控制各所述SOT-MTJ连接成的电路的电阻值的大小；

预充电放大器模块，用于根据所述电阻值的大小，输出所述MTJ状态对应的布尔逻辑结果。