2021年12月11日至15日，第67届电气电子工程师学会（IEEE）国际电子器件会议（International Electron Devices Meeting, IEDM）在美国旧金山召开。IEDM始于1955年，具有六十多年历史，是微电子器件领域的顶级会议， 在国际半导体技术领域具有权威的学术地位和广泛的影响力。该会议主要报道国际半导体和电子器件方面的最新研究进展，是著名高校、研发机构和行业领军企业报告其技术突破的重要平台，每年Intel、Samsung、TSMC和IBM等国际知名半导体公司都利用这个会议发布最新研究成果，具有“风向标”的作用，被誉为“微电子器件领域的奥林匹克盛会”。
在此次IEDM会议上，北航集成电路学院共有三项成果入选。在自旋芯片领域，北航超过IBM，IMEC等研究机构，是入选论文最多的单位。
新型三端磁存储器件
北航集成电路学院赵巍胜教授团队在IEDM上发表了题为“First demonstration of three terminal MRAM devices with immunity to magnetic fields and 10 ns field free switching by electrical manipulation of exchange bias”的研究成果。该工作首次提出并实验演示了一种三端磁存储器件，实现了抗外磁场数据存储和10纳秒无磁场数据写入，为实现高性能磁存储芯片提供了一条新的技术路径。我院赵巍胜教授是论文唯一通讯作者，博士生朱道乾、郭宗夏和杜奥为该论文的共同第一作者，北京航空航天大学为第一单位。该工作获得了国家自然科学基金及国家重点研发项目的支持。
磁存储芯片（Magnetic Random Access Memory: MRAM）是解决“后摩尔时代”集成电路功耗瓶颈的可能技术方案[1]。当前，基于两端器件结构的自旋转移矩磁存储芯片已经大规模量产，在嵌入式场景中得到了广泛应用，但器件写入速度和耐久性存在限制[2]。基于三端器件结构的自旋轨道矩磁存储芯片（Spin Orbit Torque MRAM: SOT-MRAM）有望解决这些问题。依据磁存储单元的各向异性，目前存在两种主流SOT-MRAM技术方案（表1，p-SOT-MRAM和i-SOT-MRAM），但均难以同时满足无磁场数据写入[3]和高密度数据存储。
表1几种三端磁存储器件的性能对比
基于上述背景，赵巍胜教授团队提出了一种新型三端面内各向异性磁存储器件（表1，EB-MRAM）。该器件利用反铁磁/铁磁界面的交换偏置场（Exchange Bias: EB）而非形状各向异性实现数据存储，在高达2 T的外磁场干扰后依然可以稳定保持数据（图1(a)），从而极大地提高了面内器件的存储密度。基于团队2020年电学调控交换偏置场方向的研究成果[4]，团队实现了该器件的10 ns无磁场数据写入（图1(b)）。这些结果表明，EB -MRAM可以兼具无磁场数据写入和高密度数据存储，具有广阔的实际应用前景。
图1 EB-MRAM器件的（a）抗磁场和（b）无磁场写入实验结果。
参考文献
[1] Z. Guoet al. Spintronics for energy- efficient computing: an overview and outlook,Proc. IEEE109, 1398-1417 (2021).
[2] M. Wanget al. Current-induced magnetization switching in atom-thick tungsten engineered perpendicular magnetic tunnel junctions with large tunnel magnetoresistance,Nat. Commun.9, 671 (2018).
[3] M. Wanget al. Field-free switching of a perpendicular magnetic tunnel junction through the interplay of spin–orbit and spin-transfer torques,Nat. Electron.1, 582-588 (2018).
[4] S. Penget al. Exchange bias switching in an antiferromagnet/ferromagnet bilayer driven by spin–orbit torque,Nat. Electron.3, 757-764 (2020).
自旋轨道矩磁存储器的优化设计
北京航空航天大学集成电路学院赵巍胜及王昭昊团队在IEDM上发表了题为“Computational Study for Spin-orbit Torque Magnetic Random Access Memory”的研究成果。该工作提出了一套串联了多项关键性能指标的计算框架，首次对自旋轨道矩磁随机存储器进行了综合的计算分析，并指出对称性破缺的IrMn反铁磁体系有望成为未来高性能磁随机存储器的关键材料。我院王昭昊副教授和赵巍胜教授是论文通讯作者，博士生蒋宇昊、周航宇和朱道乾为该论文的共同第一作者，北京航空航天大学为第一单位。该工作获得了国家自然科学基金和北京市科技计划项目的支持。
自旋轨道矩磁存储芯片（Spin Orbit Torque Magnetic Random Access Memory: SOT-MRAM）因其高速、低功耗的特点，成为目前磁存储芯片领域的研究热点[1]。其中垂直磁隧道结由于具有更高的集成度，是SOT-MRAM的核心器件。但是垂直磁隧道结在进行自旋轨道矩写入时需要额外的面内磁场辅助[3,5-6]，严重阻碍了SOT-MRAM的性能提升与实际应用，也对材料的选取与优化提出了更高的要求。
针对上述问题以及MRAM的信息写入功耗、信息读取错误率和写入速度等核心参数，赵巍胜教授团队提出了一套串联了第一性原理计算、磁动力学模拟以及电路级仿真评估的计算框架，对SOT-MRAM中SOT通道层备选材料进行了全面分析。根据计算结果，相比于传统金属、合金材料，反铁磁IrMn体系综合性能更加优秀，同时非共线IrMn3因体系对称性破缺可产生垂直极化的自旋流，该效应不但可以解决垂直磁隧道结写入需要外磁场辅助的问题，还可以进一步加快写入速度。基于反铁磁IrMn体系隧穿磁阻率、自旋霍尔电导率较高以及翻转过程高速稳定不需要外磁场等优点，通过电路级评估（如图2所示），该体系整体写入性能与静态随机存取存储芯片（Static Random Access Memory: SRAM）接近，且电路面积更小，能实现更高的集成度。该计算框架为进一步优化磁存储芯片的性能提供了有效手段。
图2 不同霍尔层材料的SOT-MRAM的速度、功耗、电路面积与SRAM对比。
参考文献
[5] W. Caiet al. Sub-ns Field-Free Switching in Perpendicular Magnetic Tunnel Junctions by the Interplay of Spin Transfer and Orbit Torques, IEEE EDL.42.5, 704-707 (2021).
[6] S. Penget al. Field-Free Switching of Perpendicular Magnetization through Voltage-Gated Spin-Orbit Torque, IEEE IEDM.28.6, 1-4 (2019).
基于自旋纳米振荡器的随机计算系统
北航集成电路学院曾琅团队在IEDM上发表了题为“Time Division Multiplexing Ising Computer Using Single Tunable True Random Number Generator Based on Spin Torque Nano-Oscillator”的研究成果。该工作首次提出了一种基于自旋纳米振荡器的真随机数发生器，实现了可调概率输出，并提出了新颖的递推耦合规则，采用单个器件时分复用完成了基于伊辛模型的概率计算。我院曾琅副教授和赵巍胜教授是论文通讯作者，硕士生张博麟是第一作者，北京航空航天大学为第一单位。该工作获得了国家自然科学基金及国家重点研发项目的支持。
基于伊辛模型的概率计算是高效解决NP-hard问题的重要计算范式。概率计算中，概率比特的硬件实现是关键核心[7]。而目前的概率比特硬件实现还存在着难以集成、易受噪声影响、功耗高、可拓展性差等问题。
为了解决上述问题，曾琅副教授团队基于在自旋纳米振荡器领域的深厚研究基础[8-10]，首先提出了一种基于自旋纳米振荡器的真随机数发生器，采用热噪声对振荡频率的扰动作为熵源，实现了高速、低功耗、概率可调的随机数输出。之后，将随机数发生器作为概率比特，并提出了一种新颖的递推耦合规则，成功完成了逻辑门计算。最后，采用了时分复用的思想，使用单个自旋纳米振荡器概率比特完成了质因数分解的计算，准确率高达87%。
图3 自旋纳米振荡器概率比特的时分复用示意图(左)，35的质因数分解结果图(右)。
参考文献
[7]Sutton, Brian,et al. Intrinsic optimization using stochastic nanomagnets. Scientific reports7.11-9 (2017).
[8] Zeng, Lang,et al. Realization of mutual synchronization of spin torque nano-oscillators under room temperature by noise reduction technique. Applied Physics Letters117.8082404 (2020).
[9] Zeng, Lang,et al. "Noise reduction of spin torque oscillator by phase-locked loop with combinational frequency tuning method." Applied Physics Letters117.7072407 (2020).
[10] Zeng, Lang,et al. "Robust phase shift keying modulation method for spin torque nano-oscillator." Nanotechnology31.37375205 (2020).
