Design of Circuits and Systems for Nonvolatile Nanomagnetic Logic

非易失性纳米磁逻辑电路和系统设计

基本信息

项目摘要

Nanomagnetic logic (NML), is composed of nanomagnetic dots interacting by magnetic field coupling, and thus is a non charge-based beyond CMOS technology. It can provide exceptionally dense, robust and low power integrated systems without leakage current. The availability of nonvolatile logic states enables instant on/off capability as well as new architectures and functionalities. In our current DFG project "Field-coupled circuits in magnetic multilayers" (2009-2012), different from most other groups we have explored a technology for NML that uses nanomagnets with perpendicular, out-of-plane magnetization. This gives rise to a robust and precisely controllable switching behavior, more degrees of freedom in shape and arrangement of the magnets, and finally a denser layout. As starting point for the renewal project, we have now a processing technology, where we can set the switching threshold of single dots and the direction of signal flow in chains and logic blocks. We have experimentally verified models describing the dependencies between technology parameters, geometry and switching behavior. Further we have demonstrated the basic logic functions of inverter, fan-out and majority gate, where we use a global magnetic field as clock and as energy supply. Now it is time to look further towards more complex circuits and complete system architectures. For that purpose we want to develop a SPICE-like device model for the magnetization of single dots and the dynamics of their coupling with neighbouring dots under action of the clocking field, as well as behavioral models to be used for larger system simulation. With this, we will design clocking and synchronization schemes, including buffer circuits corresponding to CMOS flipflops. The generation of the external clocking fields and their influence on the circuit behaviour will also be investigated and optimized. In addition, we want to use our existing models and measurement data to calculate error rates resulting from non-ideal technological manufacturing processes and thermal noise, and investigate methods for robust design as well as possible error correction schemes.As a completely new approach, we propose to use vertical field coupling in the z-direction for creation of true 3D integrated circuits and systems. This offers, when using several functional layers, a very high packing density and very flexible architectures. This proposal is based upon successful pilot experiments in our own technology. With this and also with the conventional 2D arrangement, we want to design larger systems, mainly an arithmetic logic unit and FPGAs. Those profit a lot from NML due to the inherent nonvolatility and programmability during operation, and especially from the 3D integration, where an extra layer can be used for the programming function.
纳米磁逻辑(NML)由磁场耦合相互作用的纳米磁点组成,因此是CMOS技术以外的非电荷基于基于电荷的。它可以提供异常密集,健壮和低功率集成系统,而不会泄漏电流。非易失性逻辑状态的可用性使得即时/关闭能力以及新的体系结构和功能。在我们当前的DFG项目“磁性多层中的现场耦合电路”(2009-2012)中,与大多数其他组不同,我们探索了NML的技术,该技术使用纳米磁铁,并使用具有垂直的,超出平面磁化的纳米磁铁。这产生了强大且精确的可控制的切换行为,形状和磁体的布置更加自由度,最后是一个密集的布局。作为续订项目的起点,我们现在拥有一项处理技术,在这里我们可以在其中设置单点的开关阈值以及链条和逻辑块中的信号流动方向。我们已经有了实验验证的模型,描述了技术参数,几何和切换行为之间的依赖性。此外,我们已经证明了逆变器,风扇外和多数门的基本逻辑函数,在那里我们使用全局磁场作为时钟和能量供应。现在是时候进一步寻找更复杂的电路和完整的系统体系结构了。为此,我们希望开发一种类似香料的设备模型,用于磁化点及其与相邻的点在时钟场作用下的偶联的动力学,以及用于较大系统模拟的行为模型。这样,我们将设计时钟和同步方案,包括与CMOS触发器相对应的缓冲电路。还将研究和优化外部时钟场的产生及其对电路行为的影响。此外,我们希望使用我们的现有模型和测量数据来计算由非理想的技术制造过程和热噪声引起的错误率,并调查了可靠设计的方法以及可能的错误校正方案。作为一种全新的方法,我们是一种全新的方法,我们建议在z方向上使用垂直场耦合来创建真正的3D集成电路和系统。当使用多个功能层时,这提供了非常高的包装密度和非常灵活的体系结构。该建议基于我们自己技术的成功试点实验。借助此功能以及传统的2D布置,我们希望设计较大的系统,主要是算术逻辑单元和FPGA。由于操作过程中固有的不易作用和可编程性,尤其是从3D集成中,从NML中获利,因此可以将额外的层用于编程功能。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
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专利数量(0)
Signal crossing in perpendicular nanomagnetic logic
垂直纳米磁逻辑中的信号交叉
  • DOI:
    10.1063/1.4863810
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    I. Eichwald;S. Breitkreutz;J. Kiermaier;G. Csaba;D. Schmitt-Landsiedel;M. Becherer
  • 通讯作者:
    M. Becherer
Experiment-based thermal micromagnetic simulations of the magnetization reversal for ns-range clocked nanomagnetic logic
基于实验的纳秒级时钟纳米磁逻辑磁化反转热微磁模拟
  • DOI:
    10.1063/1.4974021
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
  • 影响因子:
    1.6
  • 作者:
    G. Žiemys;S. Breitkreutz von Gamm;G. Csaba;D Schmitt-Landsiedel;M. Becherer
  • 通讯作者:
    M. Becherer
Majority logic gate for 3D magnetic computing
  • DOI:
    10.1088/0957-4484/25/33/335202
  • 发表时间:
    2014-08-22
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.5
  • 作者:
    Eichwald, Irina;Breitkreutz, Stephan;Becherer, Markus
  • 通讯作者:
    Becherer, Markus
Domain wall depinning from notches using combined in- and out-of-plane magnetic fields
  • DOI:
    10.1063/1.4944698
  • 发表时间:
    2016-05-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    1.6
  • 作者:
    Goertz, Jelle J. W.;Ziemys, Grazvydas;Gamm, Stephan Breitkreutz-V.
  • 通讯作者:
    Gamm, Stephan Breitkreutz-V.
Characterization of the magnetization reversal of perpendicular Nanomagnetic Logic clocked in the ns-range
  • DOI:
    10.1063/1.4944336
  • 发表时间:
    2016-03
  • 期刊:
  • 影响因子:
    1.6
  • 作者:
    G. Ziemys;C. Trummer;S. B. Gamm;I. Eichwald;D. Schmitt-Landsiedel;M. Becherer
  • 通讯作者:
    G. Ziemys;C. Trummer;S. B. Gamm;I. Eichwald;D. Schmitt-Landsiedel;M. Becherer
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