基于交换交互的纳米磁逻辑电路的片上时钟

纳磁逻辑电路具有低功耗，插入和可常温下制备等优点，实现低功耗片上时钟是其集成化的必要条件。结构，用载流铜导线产生的奥斯特场将铁纳米薄膜覆膜层进行磁化，然后穿透铁波导层与纳耦合界面存在的交换作用场使交替的磁化方向发生翻转。用外磁场控制纳电磁场磁化方向比例，该方案在某些方面降低了5/6，时钟边界杂散场强度降低了2/3，达到降低强度，减小串扰的目的。进一步验证了该时钟结构上的纳纳米逻辑阵列可以实现逻辑功能。 ### 基于交换作用的纳米磁逻辑电路片上时钟结构 #### 一、引言及背景 近年来，随着微电子技术的发展逐渐接近物理极限，寻找新的计算和存储技术成为了学术界和工业界的共同追求。纳米磁逻辑(Nanomagnetic Logic, NML)作为一种新型的非易失性计算技术，因其低功耗、非易失性和能够在常温条件下工作等优点而受到广泛关注。NML的基本单元是由具有强烈形状各向异性的纳米磁体组成，这些纳米磁体能够利用其双稳态磁化方向表示二进制逻辑状态。 为了使纳米磁逻辑电路能够实现大规模集成和高效运行，低功耗的片上时钟机制是不可或缺的关键组件之一。时钟机制用于驱动纳米磁体的磁化方向翻转，从而实现信息的处理和传递。传统的时钟方案存在功耗过高、磁场局域化效率低以及串扰等问题。为了解决这些问题，本文介绍了一种基于交换作用的纳米磁逻辑电路片上时钟结构。 #### 二、基于交换作用的片上时钟结构与工作原理 ##### 1. 结构设计 本文提出的时钟结构主要包括铜导线、铁磁体薄膜层以及位于铁磁体薄膜层上方的纳米磁体阵列。铜导线用于产生奥斯特场，通过电流产生的磁场将铁磁体薄膜层磁化；铁磁体薄膜层与纳米磁体之间通过交换作用相连，当铁磁体薄膜层被磁化后，其上的电子自旋会沿着磁场方向排列，通过交换作用将这一磁化状态传递给纳米磁体，从而实现纳米磁体的磁化翻转。 ##### 2. 工作原理 - **磁化过程**：载流铜导线产生的磁场将铁磁体薄膜层磁化，使得铁磁体中的电子自旋沿磁场方向排列。 - **交换作用**：铁磁体薄膜层与纳米磁体之间的交换作用是一种短程作用，强度远高于长程作用（如塞曼效应），它促使纳米磁体中的自旋按照铁磁体的磁化方向重新排列，进而导致纳米磁体的整体磁化方向发生翻转。 这种基于交换作用的时钟结构相比于传统的轭式时钟结构，在功耗方面降低了5/6，并且时钟边界处的杂散磁场强度降低了2/3，有效地减少了串扰问题。 #### 三、优势分析 - **降低功耗**：基于交换作用的时钟结构显著降低了时钟操作的功耗，这对于实现低功耗纳米磁逻辑电路至关重要。 - **减轻串扰**：通过对时钟边界的优化设计，有效地减少了时钟信号对相邻区域的干扰，提高了整个系统的稳定性和可靠性。 - **实现逻辑功能**：通过微磁仿真的方法验证了该时钟结构能够支持纳米磁体逻辑阵列的正常运行，实现了基本的逻辑功能。 #### 四、结论与展望 本文介绍的基于交换作用的纳米磁逻辑电路片上时钟结构为解决纳米磁逻辑电路中的时钟问题提供了一个新的解决方案。该方案不仅在功耗方面表现出显著的优势，而且在减少串扰、提高系统稳定性方面也有着重要的意义。未来的研究可以进一步探索如何优化这一时钟结构的设计，以适应更大规模的纳米磁逻辑电路集成需求，推动纳米磁逻辑技术的应用和发展。