消除基于GSHE?MTJ的電路中的非所要電流路徑的制作方法
根據(jù)35u.s.c.§119主張優(yōu)先權(quán)
本專利申請案主張2014年10月30日申請的標(biāo)題為“消除基于gshe-mtj的電路中的非所要電流路徑(eliminationofundesirablecurrentpathsingshe-mtjbasedcircuits)”的第62/072730號臨時專利申請案的益處，所述臨時專利申請案是待決的，且指派給本案受讓人，且由此明確地以全文引用的方式并入本文中。
本發(fā)明的示范性方面涉及避免由gshe-mtj元件形成的自旋電子邏輯門中的非所要電流路徑或潛路徑。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代電子裝置(例如膝上型計算機、計算機、智能電話、平板計算機等)為使用邏輯門的組合來執(zhí)行各種邏輯運算的循序狀態(tài)機。這些現(xiàn)代電子裝置的流行部分由現(xiàn)在實現(xiàn)于此類裝置上的許多功能驅(qū)動。此類功能的需求增加了電子裝置的處理能力要求，且產(chǎn)生對較功率高效的裝置的需要。因此，繼續(xù)小型化邏輯門并降低其電力消耗的壓力正在增加。組件的小型化影響處理電路的所有方面，包含處理電路中的晶體管和其它無功元件，例如金屬氧化物半導(dǎo)體(mos)。mos裝置通常通過晶體管的組合提供邏輯門。
歷史上，mos裝置已從增加小型化效果來受益。在過去，此類半導(dǎo)體小型化不僅減小集成電路(ic)中的mos裝置所占用的覆蓋區(qū)域，而且減少操作此類ic所需的電力，從而同時改進運算速度。隨著mos裝置減小到納米尺度(例如九十(90)納米尺度)，mos裝置在ic中所占用的覆蓋區(qū)域減小，正如期望。然而，mos裝置可不以明顯更快的速度操作，因為當(dāng)前機構(gòu)(即，電子或電洞)的移動性并不也線性地提高，因為移動性是當(dāng)前機構(gòu)的有效質(zhì)量的函數(shù)，且有效質(zhì)量不隨著小型化而改變。
已實施了各種技術(shù)來嘗試改進基于晶體管的邏輯門在納米尺度下的運算速度。令人遺憾的是，這些技術(shù)是成問題的，因為晶體管已被證實難以控制。此外，因為晶體管密度的增加尚未引入電力消耗的線性節(jié)省，所以基于晶體管的邏輯門繼續(xù)呈現(xiàn)電力消耗問題。基于晶體管的邏輯門可因此快速達到其設(shè)計限制，且可需要其它類型的技術(shù)來繼續(xù)ic的小型化。因此，需要有效技術(shù)來創(chuàng)建邏輯門和執(zhí)行邏輯運算，其與當(dāng)前基于晶體管的技術(shù)相比，較好地適應(yīng)納米尺度，且更功率高效。
為了對抗前述問題，開發(fā)了使用巨自旋霍耳效應(yīng)(gshe)磁性隧道結(jié)(mtj)元件的自旋電子邏輯門來執(zhí)行邏輯運算。一般來說，gshemtj元件包含形成于第一端子(a)與第二端子(b)之間的gshe帶材，以及磁性隧道結(jié)(mtj)，其中mtj的自由層介接gshe帶材，且mtj的頂部電極耦合到第三端子(c)。所述mtj的自由層的易磁化軸的磁化大體上垂直于由橫穿第一端子(a)與第二端子(b)之間的gshe帶材的電子產(chǎn)生的磁化方向，使得所述mtj的自由層經(jīng)配置以基于從第一端子注入到第二端子/從第二端子注入到第一端子的第一充電電流以及經(jīng)由頂部電極通過第三端子(c)而注入到mtj中或從mtj提取(即，正/負電流方向)的第二充電電流而切換。
已示出了由gshemtj元件形成的自旋邏輯門，以提供比基于晶體管的邏輯門大的功率效率。并且，自旋電子邏輯門能夠在集成電路(ic)內(nèi)以相對緊湊布置來安置。舉例來說，自旋電子邏輯門可用比以基于晶體管德邏輯門來執(zhí)行相同邏輯運算所需的晶體管的數(shù)目小的數(shù)目的gshemtj元件來執(zhí)行邏輯運算。并且，雖然傳統(tǒng)的組合式邏輯(即，使用基于晶體管的邏輯門的邏輯電路)常常必須使用單獨的循序邏輯(例如閂鎖、觸發(fā)器等)來存儲因邏輯運算而產(chǎn)生的位狀態(tài)，但gshemtj元件(即，用以執(zhí)行邏輯運算的相同元件)也可作為非易失性存儲器來操作，以存儲因所述邏輯運算而產(chǎn)生的位狀態(tài)。因此，自旋電子邏輯門不僅可用以建造更緊湊的ic(例如循序狀態(tài)機)，自旋電子邏輯門也可增加處理速度并簡化ic設(shè)計。
在使用自旋電子邏輯的實例電路或門中，充電電流產(chǎn)生電路耦合到gshemtj元件，以產(chǎn)生表示輸入位集合的充電電流。所述輸入位集合可包含邏輯運算的一或多個輸入位狀態(tài)。在邏輯運算之前，在預(yù)設(shè)級，可使gshemtj元件初始化或預(yù)設(shè)到預(yù)設(shè)狀態(tài)。可為gshemtj元件設(shè)定對應(yīng)于邏輯運算的閾值電流電平。在計算級，響應(yīng)于所產(chǎn)生的充電電流產(chǎn)生gshe自旋電流，且對輸入位集合執(zhí)行邏輯運算，其中基于預(yù)設(shè)狀態(tài)以及gshe自旋電流是否超過閾值電流電平來設(shè)定邏輯輸出位狀態(tài)。
自旋電子電路或門可包含若干此類gshemtj元件，其可串聯(lián)或并聯(lián)級聯(lián)，且耦合到充電電流產(chǎn)生電路。因此，可基于gshemtj元件不僅計算邏輯輸出位狀態(tài)而且保持或存儲所述邏輯輸出位狀態(tài)的特性來執(zhí)行分級或管線化運算。舉例來說，在管線化運算中，來自前一管線級的邏輯輸出位狀態(tài)可用于下一管線級中的輸入位集合。因此，使用gshemtj元件的自旋電子電路不需要用于實施管線化或分級運算的基于mos的電路設(shè)計中可見的額外閂鎖或觸發(fā)器。因此，可使用自旋電子邏輯門來實現(xiàn)顯著的電力和面積節(jié)省。
然而，自旋電子邏輯門還易受非所要的充電或電流路徑影響，這可能在邏輯運算的各個級發(fā)生。對于一些自旋電子自旋邏輯電路，可創(chuàng)建反向充電路徑，其中用于建立預(yù)設(shè)狀態(tài)的預(yù)設(shè)電流可回流到充電電流產(chǎn)生電路或用以將輸入位集合提供到自旋電子邏輯門的其它輸入電路。在一些情況下，有可能充電電流希望將一個管線級中的自旋電子邏輯門寫入到進入非既定管線級中的流。這些充電或電流路徑是非所要的，且可導(dǎo)致使用gshemtj元件的自旋電子邏輯電路的功能性中的不正確操作或破壞。
解決非所要電流路徑的現(xiàn)有方法是低效和/或無效的。舉例來說，一種方法涉及添加額外控制管線或額外管線級，來將既定管線級與非既定管線級分來，企圖減輕從既定管線級到非既定管線級的電流流動。然而，此類實施方案顯著增加面積和電力，且還可能降低運算速度。此外，此類實施方案并不克服歸因于向后流動到輸入電路中的預(yù)設(shè)電流而產(chǎn)生的非所要電流路徑的問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的示范性方面涉及避免包括一或多個gshe-mtj元件的自旋電子邏輯電路中的非所要電流路徑或潛路徑。
舉例來說，示范性方面是針對一種自旋電子邏輯電路，其包括：一或多個巨自旋霍耳效應(yīng)(gshe)磁性隧道結(jié)(mtj)元件；以及潛路徑防止邏輯，其耦合到所述gshemtj元件，所述潛路徑防止邏輯經(jīng)配置以防止包括自旋電子邏輯電路中的非既定路徑中的充電電流的流動的潛路徑。在一個方面中，所述自旋電子邏輯電路包含兩個或更多個管線級，包括一或多個gshemtj元件以及一充電電流產(chǎn)生電路，所述充電電流產(chǎn)生電路經(jīng)配置以將寫入電流提供到所述一或多個gshemtj元件，其中所述潛路徑防止邏輯包括耦合到所述一或多個gshemtj元件的一或多個晶體管，所述晶體管經(jīng)配置以限制寫入電流不讓其在寫入操作期間從既定管線級流動到非既定管線級。在另一方面，潛路徑防止邏輯包含一或多個二極管，其耦合到所述一或多個gshemtj元件，且經(jīng)配置以防止預(yù)設(shè)電流流入輸入電路或充電電流產(chǎn)生電路中。此外，預(yù)設(shè)線可經(jīng)配置以為預(yù)設(shè)電流提供替代路徑。
另一示范性方面是針對防止自旋電子邏輯電路中的潛路徑的方法，所述方法包括：將一或多個潛路徑防止邏輯元件耦合到自旋電子邏輯電路的一或多個巨自旋霍耳效應(yīng)(gshe)磁性隧道結(jié)(mtj)元件；以及使用所述潛路徑防止邏輯元件來防止包括自旋電子邏輯電路中的非既定路徑中的充電電流的流動的潛路徑。
另一示范性方面是針對一種自旋電子邏輯電路，其包括：一或多個巨自旋霍耳效應(yīng)(gshe)磁性隧道結(jié)(mtj)元件；以及用于防止包括自旋電子邏輯電路中的非既定路徑中的充電電流的流動的潛路徑的裝置。
附圖說明
呈現(xiàn)附圖是為了輔助描述示范性方面且僅僅為了說明而非限制所述方面而提供附圖。
圖1說明可在自旋電子邏輯門中用于執(zhí)行邏輯運算的巨自旋霍耳效應(yīng)(gshe)磁性隧道結(jié)(mtj)元件的一個方面的橫截面視圖。
圖2a說明圖1中所示的gshemtj元件的gshe電極和自由層的一個示范性方面的自上向下視圖。
圖2b說明圖1中所示的gshemtj元件的gshe電極和自由層的另一示范性方面的自上向下視圖。
圖3是圖1中所示的gshemtj元件的gshe電極的透視圖。
圖4說明圖1中所示的gshemtj元件的自由層和gshe電極的一個方面。
圖5是用以表示圖1中所示的gshemtj元件的操作性符號的視覺說明。
圖6a說明gshemtj元件的一個實例，其為圖1中所示的gshemtj元件的一個方面。
圖6b說明gshemtj元件的另一實例，其為圖1中所示的gshemtj元件的另一方面。
圖6c說明gshemtj元件的又一實例，其為圖1中所示的gshemtj元件的另一方面。
圖7是說明指示圖1中所示的gshemtj元件的閾值電流電平的斯托納-沃爾法特(stoner-wohlfarth)切換星形線59的一個方面的曲線圖。
圖8說明可用于執(zhí)行邏輯運算的自旋電子邏輯門的一個方面。
圖9說明表示圖8中所示的自旋電子邏輯門所執(zhí)行的邏輯運算的一組真值表。
圖10說明表示用以使圖8中所示的自旋電子邏輯門同步并預(yù)設(shè)所述自旋電子邏輯門的控制信號的控制狀態(tài)的時序圖。
圖11說明可用于執(zhí)行邏輯運算的自旋電子邏輯門的另一方面。
圖12說明可用于執(zhí)行邏輯運算的自旋電子邏輯門的另一方面。
圖13說明可用于執(zhí)行邏輯運算的自旋電子邏輯門的另一方面。
圖14a說明包含具有經(jīng)配置以執(zhí)行緩沖運算和反轉(zhuǎn)運算的mtj元件的管線級的管線電路的一個方面。
圖14b說明表示用以使圖14a中所示的管線電路同步并預(yù)設(shè)所述管線電路的控制信號的控制狀態(tài)的時序圖。
圖15a說明包含具有經(jīng)配置以執(zhí)行“與”運算、“與非”運算和“或非”運算的mtj元件的管線級的管線電路的另一方面。
圖15b說明表示用以使圖15a中所示的管線電路同步并預(yù)設(shè)所述管線電路的控制信號的控制狀態(tài)的時序圖。
圖16a-b說明由自旋電子邏輯門形成的電路中的潛路徑。
圖17說明解決圖16a-b的潛路徑問題的常規(guī)嘗試。
圖18說明與使用晶體管來消除潛路徑有關(guān)的示范性方面。
圖19說明與使用二極管來消除潛路徑有關(guān)的示范性方面。
圖20a-b說明與使用晶體管和相關(guān)真值表來消除潛路徑有關(guān)的另一示范性方面。
圖21a-b說明由自旋電子邏輯門形成的單個位相加器設(shè)計，包含示范性方面的潛路徑防止機制。
圖22a-c說明由根據(jù)示范性方面的自旋電子邏輯門形成的相加器與由常規(guī)晶體管門形成的相加器的比較。
圖23是可包含本發(fā)明的示范性方面的示范性基于處理器的系統(tǒng)的框圖。
圖24說明防止自旋電子邏輯電路中的潛路徑的方法的流程圖。
具體實施方式
在以下針對本發(fā)明特定實施例的描述和相關(guān)圖式中揭示本發(fā)明的若干方面。可在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下設(shè)計替代性實施例。另外，將不會詳細描述或?qū)⑹÷员景l(fā)明的眾所周知的元件以免混淆本發(fā)明的相關(guān)細節(jié)。
詞語“示范性”在本文中用于表示“充當(dāng)實例、例子或說明”。本文中被描述為“示范性的”任何實施例不一定被解釋為比其它實施例優(yōu)選或有利。同樣，術(shù)語“本發(fā)明的實施例”并不要求本發(fā)明的所有實施例包含所論述的特征、優(yōu)點或操作模式。
本文中所使用的術(shù)語僅僅是為了描述特定實施例的目的，且并不希望限制本發(fā)明的實施例。如本文所使用，單數(shù)形式“一”和“所述”既定還包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另外清楚地指示。應(yīng)進一步理解，術(shù)語“包括(comprises、comprising)”和/或“包含(includes、including)”當(dāng)在本文中使用時指定所陳述的特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但并不排除一或多個其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或其群組的存在或添加。
另外，依據(jù)待由(例如)計算裝置的元件執(zhí)行的動作的序列來描述許多實施例。將認識到，本文中所描述的各種動作可由特定電路(例如，專用集成電路(asic))、由正由一或多個處理器執(zhí)行的程序指令或由所述兩者的組合來執(zhí)行。另外，可認為本文中所述的這些動作序列完全體現(xiàn)于任何形式的計算機可讀存儲媒體內(nèi)，所述計算機可讀存儲媒體中存儲有一組對應(yīng)的計算機指令，所述計算機指令在被執(zhí)行時將導(dǎo)致相關(guān)聯(lián)的處理器執(zhí)行本文中所述的功能性。因此，本發(fā)明的各種方面可以數(shù)個不同形式來體現(xiàn)，預(yù)期所有形式屬于所主張的標(biāo)的物的范圍內(nèi)。另外，對于本文中所描述的實施例中的每一者來說，任何此類實施例的對應(yīng)形式可在本文中被描述為(例如)“經(jīng)配置以(執(zhí)行所描述的動作)的邏輯”。
本文所述的方面涉及防止使用巨自旋霍耳效應(yīng)(gshe)磁性隧道結(jié)(mtj)元件來執(zhí)行邏輯運算的自旋電子邏輯門中的前述非所要電流路徑。在所揭示的方面中，自旋電子邏輯門可用比用基于晶體管的邏輯門執(zhí)行相同邏輯運算所需的晶體管的數(shù)目小的數(shù)目的gshemtj元件來執(zhí)行邏輯運算，同時避免如在常規(guī)實施方案中的額外管線級方面的昂貴開銷。
在本發(fā)明中，從既定管線級中的寫入操作到非既定管線級的充電電流的非所要流動被稱作“潛路徑”。在一些方面，為了避免寫入操作的潛路徑，可在預(yù)先選擇的電路節(jié)點中引入一或多個晶體管。所述一或多個晶體管在戰(zhàn)略上放置在所述電路內(nèi)，以有效地消除所述潛路徑。
在一些其它方面中，一或多個二極管可用于限制與預(yù)設(shè)電流有關(guān)的電流的反向流動，不讓其進入電荷產(chǎn)生電路或輸入電路。預(yù)設(shè)電流可分流，且分流的預(yù)設(shè)電流可流動通過單獨的線或網(wǎng)。以此方式，可消除與反向電流有關(guān)的潛路徑。在使用多個管線級的情況下，二極管的示范性使用也可避免對用于抑制潛路徑的管線級之間的額外控制信號的需要。由于將單獨的線用于預(yù)設(shè)電流，因此也將避免預(yù)設(shè)電流對邏輯運算的輸入數(shù)據(jù)的任何可能干擾。
因此，在示范性方面中，包括一或多個晶體管和/或一或多個二極管的邏輯可經(jīng)配置以防止?jié)撀窂?例如與寫入電流以及預(yù)設(shè)電流有關(guān))流入非既定電路路徑中。此類邏輯在本文中被稱作潛路徑防止邏輯，且包括用以輔助潛路徑防止和分流的晶體管、二極管和任何相關(guān)控制管線。然而，將理解示范性潛路徑防止邏輯并不包含額外/虛擬管線級，來抑制或防止如常規(guī)方法所使用的潛路徑的流。舉例來說，在一些方面，潛路徑防止邏輯包含耦合到一或多個gshemtj元件的一或多個晶體管，所述晶體管經(jīng)配置以限制寫入電流，不讓其在寫入操作期間從既定管線級流動到非既定管線級。在一些方面，潛路徑防止邏輯包括一或多個二極管，其耦合到所述一或多個gshemtj元件，且經(jīng)配置以防止預(yù)設(shè)電流流入輸入電路或充電電流產(chǎn)生電路中。此外，可添加預(yù)設(shè)線來提供所述預(yù)設(shè)電流的替代路徑。在實例方面中，潛路徑防止邏輯可被稱為包含一或多個潛路徑防止邏輯元件，其中所述潛路徑防止邏輯元件可包含一或多個晶體管、一或多個二極管、預(yù)設(shè)線或其組合。
在這點上，在論述用于避免和消除潛路徑的示范性方面之前，首先將提供gshemtj元件的建構(gòu)和操作以及其在自旋電子邏輯門布置中的使用的介紹。
圖1說明可用于自旋電子邏輯門的gshemtj元件10的一個方面的橫截面視圖。所述橫截面視圖說明各種層的堆疊，其可用于提供gshemtj元件10。圖1中所示的gshemtj元件10包含參考層12、自由層14和電介質(zhì)層16，其提供自由層14與參考層12之間的隧道勢壘。參考層12具有固定的磁化。如所說明，參考層12的磁化從畫面引出，且處于參考層12的平面內(nèi)。
gshe電極18耦合到自由層14，且由gshe材料形成，例如β-鉭、β-鎢、銣和/或鉑，作為非限制性實例。gshe電極18經(jīng)配置以接收充電電流20，且響應(yīng)于充電電流20產(chǎn)生gshe自旋電流22。更具體地說，gshe電極18經(jīng)配置以產(chǎn)生gshe，其將充電電流20轉(zhuǎn)換成gshe自旋電流22。充電電流20可表示一或多個位狀態(tài)的輸入位集合。舉例來說，充電電流20可具有根據(jù)輸入位集合的一或多個位狀態(tài)設(shè)定的充電電流量值。由此，可根據(jù)充電電流20的充電電流量值來設(shè)定gshe自旋電流22的自旋電流量值。由于充電電流量值是根據(jù)輸入位集合的一或多個位狀態(tài)來設(shè)定，因此自旋電流量值也可根據(jù)輸入位集合的一或多個位狀態(tài)來設(shè)定。舉例來說，gshemtj元件10經(jīng)配置以存儲位狀態(tài)作為邏輯輸出位狀態(tài)，且具有閾值電流電平，其確定邏輯輸出位狀態(tài)何時從邏輯值(例如邏輯值“0”)切換到正相反的邏輯值(例如邏輯值“1”)。因此，gshemtj元件10經(jīng)配置以通過基于gshe自旋電流22是否超過閾值電流電平設(shè)定邏輯輸出位狀態(tài)，來對輸入位集合執(zhí)行邏輯運算。
關(guān)于自由層14，自由層14的磁化橫向于充電電流20的傳播方向，且在自由層14的平面內(nèi)。參考層12的磁化與自由層14的磁化之間的磁定向?qū)?zhǔn)表示gshemtj元件10所存儲的位狀態(tài)(例如邏輯輸出位狀態(tài))。在這方面，自由層14的磁化可具有：第一磁定向狀態(tài)，其中自由層14的磁化從頁面引出；以及第二磁定向狀態(tài)，其中自由層14的磁化引入頁面中。由此，gshemtj元件10所存儲的位狀態(tài)(例如邏輯輸出位狀態(tài))是基于自由層14的磁化。
由于參考層12的磁化是固定的，自由層14的磁化可在第一磁定向狀態(tài)與第二磁定向狀態(tài)之間切換，所述參考層12的磁化與自由層14的磁化之間的磁定向?qū)?zhǔn)可在平行磁定向?qū)?zhǔn)狀態(tài)與反平行磁定向?qū)?zhǔn)狀態(tài)下提供。更具體地說，當(dāng)自由層14處于第一磁定向狀態(tài)時，gshemtj元件10的磁定向?qū)?zhǔn)在平行磁定向?qū)?zhǔn)狀態(tài)下提供，因為自由層14的磁化與參考層12的磁化是對準(zhǔn)的，且在相同的方向上(即，自由層14的磁化和參考層12的磁化兩者從頁面引出)。在此實例中，當(dāng)gshemtj元件10的磁定向?qū)?zhǔn)在平行磁定向?qū)?zhǔn)狀態(tài)下提供時，gshemtj元件10所存儲的位狀態(tài)(例如邏輯輸出位狀態(tài))表示邏輯值“0”。
當(dāng)自由層14處于反平行磁定向狀態(tài)時，gshemtj元件10的磁定向?qū)?zhǔn)在反平行磁定向?qū)?zhǔn)狀態(tài)下提供，因為自由層14的磁化與參考層12的磁化是不對準(zhǔn)的，而是在相對方向上(即，自由層14的磁化引入到頁面中，且參考層12的磁化從頁面引出)。在此實例中，當(dāng)gshemtj元件10的磁定向?qū)?zhǔn)在反平行磁定向?qū)?zhǔn)狀態(tài)下提供時，gshemtj元件10所存儲的位狀態(tài)(例如邏輯輸出位狀態(tài))表示邏輯值“1”。為了設(shè)定自由層14的磁化，gshe電極18產(chǎn)生gshe，其歸因于自旋軌道交互，將充電電流20轉(zhuǎn)換為gshe自旋電流22。gshe電極18所產(chǎn)生的gshe致使gshe自旋電流22大體上沿gshe電極18的外圍傳播，且自旋極化gshe自旋電流22。更具體地說，gshe自旋電流22經(jīng)自旋極化，使得gshe自旋電流22的自旋定向處于gshe電極18的外圍平面內(nèi)，但橫向(例如正交)于充電電流20的傳播方向。gshe自旋電流22在自由層14上施加自旋扭矩，其可用來使自由層14的磁化在第一磁定向狀態(tài)與第二磁定向狀態(tài)之間改變。在gshe自旋電流22從gshe電極18傳播出來之后，gshe自旋電流22的自旋極化喪失，且gshe自旋電流22切換回到充電電流20中。
圖1說明gshemtj元件10具有端子第一端子或充電電流節(jié)點a、第二端子或充電電流節(jié)點b，以及第三端子或充電電流節(jié)點c。gshemtj元件10可接收充電電流20，使得充電電流20從充電電流節(jié)點a傳播到充電電流節(jié)點b，或gshemtj元件10可接收充電電流20，使得充電電流20從充電電流節(jié)點b傳播到充電電流節(jié)點a。以此方式，gshemtj元件10可從第二磁定向狀態(tài)切換到第一磁定向狀態(tài)，且從第一磁定向狀態(tài)切換到第二磁定向狀態(tài)，如下文進一步詳細闡釋。gshemtj元件10的電阻提供于充電電流節(jié)點c與gshe電極18之間。當(dāng)自由層14處于第二磁定向狀態(tài)時，gshemtj元件10的磁定向?qū)?zhǔn)處于反平行磁定向?qū)?zhǔn)狀態(tài)。因此，gshemtj元件10的在充電電流節(jié)點c與gshe電極18之間的電阻在第一電阻性狀態(tài)下提供，其在這方面為高電阻狀態(tài)。當(dāng)自由層14處于第一磁定向狀態(tài)時，gshemtj元件10的磁定向?qū)?zhǔn)處于平行磁定向?qū)?zhǔn)狀態(tài)。因此，gshemtj元件10的在充電電流節(jié)點c與gshe電極18之間的電阻在第二電阻性狀態(tài)下提供，其在這方面為低電阻狀態(tài)。
在圖1中，示出充電電流20從充電電流節(jié)點a傳播到充電電流節(jié)點b。因此，相應(yīng)于充電電流20而產(chǎn)生的gshe自旋電流22沿外圍自旋極化，使得gshe自旋電流22的自旋定向沿自旋環(huán)sl對準(zhǔn)。在此情況下，如果自由層14的磁化處于第二磁定向狀態(tài)，且gshe自旋電流22大于閾值電流電平，那么自由層14的磁化從第二磁定向狀態(tài)切換到第一磁定向狀態(tài)。然而，如果自由層14的磁化處于第二磁定向狀態(tài)，但gshe自旋電流22小于閾值電流電平，那么自由層14的磁化維持在第二磁定向狀態(tài)。最后，如果自由層14的磁化已經(jīng)處于第一磁定向狀態(tài)，那么自由層14的磁化維持在第一磁定向狀態(tài)。當(dāng)自由層14處于第一磁定向狀態(tài)時，gshemtj元件10的磁定向?qū)?zhǔn)處于平行磁定向?qū)?zhǔn)狀態(tài)。因此，gshemtj元件10的在充電電流節(jié)點c與gshe電極18之間的電阻在第一電阻性狀態(tài)下提供，其在這方面為低電阻狀態(tài)。
類似地，可產(chǎn)生充電電流20，以便從充電電流節(jié)點b傳播到充電電流節(jié)點a。因此，相應(yīng)于充電電流20而產(chǎn)生的gshe自旋電流22沿外圍自旋極化，使得gshe自旋電流22的自旋定向與圖1中所示的自旋環(huán)sl相對對準(zhǔn)。在此情況下，如果自由層14的磁化處于第一磁定向狀態(tài)，且充電電流20高于閾值電流電平，那么自由層14的磁化從第一磁定向狀態(tài)切換到第二磁定向狀態(tài)。然而，如果自由層14的磁化處于第一磁定向狀態(tài)，但gshe自旋電流22小于閾值電流電平，那么自由層14的磁化維持在第一磁定向狀態(tài)。最后，如果自由層14的磁化已經(jīng)處于第二磁定向狀態(tài)，那么自由層14的磁化維持在第二磁定向狀態(tài)。當(dāng)自由層14處于第二磁定向狀態(tài)時，gshemtj元件10的磁定向?qū)?zhǔn)處于反平行磁定向?qū)?zhǔn)狀態(tài)。因此，gshemtj元件10的在充電電流節(jié)點c與gshe電極18之間的電阻在第一電阻性狀態(tài)下提供，其在這方面為高電阻狀態(tài)。
在這方面，充電電流節(jié)點a由gshemtj元件10提供作為第一端子，充電電流節(jié)點b由gshemtj元件10提供作為第二端子，且充電電流節(jié)點c由gshemtj元件10提供作為第三端子。由此，充電電流節(jié)點a、充電電流節(jié)點b和充電電流節(jié)點c可由金屬層(例如銅(cu))形成。gshe電極18形成于充電電流節(jié)點a與充電電流節(jié)點b之間。然而，形成gshemtj元件10，使得參考層12和自由層14堆疊在gshe電極18與充電電流節(jié)點c之間。
gshemtj元件10進一步包括勢壘層24、釘扎層26和反鐵磁層28。在這方面，充電電流節(jié)點c提供于反鐵磁層28上，且自由層14提供于gshe電極18上。勢壘層24、釘扎層26和反鐵磁層28提供磁性上剛性的組件，使得參考層12的磁定向是固定的，以便從頁面引出。勢壘層24形成于參考層12上，而釘扎層26形成于勢壘層24上。以此方式，勢壘層24提供于釘扎層26與參考層12之間。反鐵磁層28幫助固定釘扎層26的磁化。
為了讀取gshemtj元件10所存儲的位狀態(tài)(例如邏輯輸出位狀態(tài))，gshemtj元件10經(jīng)配置以通過gshemtj元件10產(chǎn)生從gshe電極18傳播到充電電流節(jié)點c/從充電電流節(jié)點c傳播到gshe電極18的充電電流30。當(dāng)gshemtj元件10的磁定向?qū)?zhǔn)處于反平行磁定向?qū)?zhǔn)狀態(tài)時，gshemtj元件10的電阻在第一電阻性狀態(tài)(即，高電阻狀態(tài))下提供，充電電流30處于低電流狀態(tài)。當(dāng)gshemtj元件10處于平行磁定向?qū)?zhǔn)狀態(tài)，且gshemtj元件10的電阻在第二電阻性狀態(tài)(即，低電阻狀態(tài))下提供時，充電電流30處于高電流狀態(tài)。以此方式，充電電流30可用以表示正由gshemtj元件10存儲的位狀態(tài)(例如邏輯值“1”或“0”)。gshemtj元件10固有地為非易失性的，且因此可用于存儲對應(yīng)位狀態(tài)(例如邏輯值“1”或“0”)，而不需要單獨得循序狀態(tài)元件(例如閂鎖、觸發(fā)器等)。可通過檢測gshe電極18與充電電流節(jié)點c之間的充電電流30的電阻、電壓電平和/或電流量值，來感測gshemtj元件10的磁定向?qū)?zhǔn)和電阻(且因此位狀態(tài))。
圖2a說明圖1中所示的gshemtj元件10的gshe電極18和自由層14的一個示范性方面的自上向下視圖。更具體地說，圖2a示出自由層14的磁化32，其中自由層14的形狀為橢圓形。在這方面，自由層14的磁化32與自由層14的長軸34對準(zhǔn)，而充電電流20傳播以便與自由層14的短軸36對準(zhǔn)。在這方面，長軸34是自由層14的易磁化軸，而短軸36是自由層14的難磁化軸。當(dāng)提供充電電流20，以便從充電電流節(jié)點a傳播到充電電流節(jié)點b，且高于閾值電流電平提供，自由層14的磁化32切換到或維持在第一磁定向狀態(tài)，其中磁化32在方向d1上提供。在這方面，方向d1與長軸34對準(zhǔn)，且平行于參考層12(圖1中所示)的磁化38的方向f。因此，參考層12的磁化38與自由層14的磁化32之間的磁定向?qū)?zhǔn)處于平行磁定向?qū)?zhǔn)狀態(tài)，因為自由層14的磁化32與參考層12的磁化38相對于彼此平行。由于長軸34和短軸36彼此正交，因此自由層14的磁化32和參考層12的磁化38還與短軸36正交。
當(dāng)提供充電電流20以便在從充電電流節(jié)點b到充電電流節(jié)點a的方向上傳播，且高于閾值電流電平提供時，自由層14的磁化32切換到或維持在第二磁定向狀態(tài)，其中在方向d2上提供磁化32。方向d2平行于長軸34，且反平行于參考層12的磁化38的方向f。因此，圖1中所示的gshemtj元件10的磁定向?qū)?zhǔn)處于反平行磁定向?qū)?zhǔn)狀態(tài)，因為自由層14的磁化32和參考層12的磁化38相對于彼此反平行。由于長軸34和短軸36彼此正交，因此自由層14的磁化32和參考層12的磁化38還與短軸36正交。注意，由于充電電流20相對于長軸34(即，易軸)垂直傳播，且與短軸36(即，難軸)對準(zhǔn)，因此gshe自旋電流22施加到自由層14的切換場是沿長軸34。因此，自由層14位于磁各向異性的最有利定向中。圖2a中所示的gshemtj元件10因此經(jīng)配置以使得閾值電流電平處于最大。
圖2b說明圖1中所示的gshemtj元件10的gshe電極18和自由層14的另一示范性方面的自上向下視圖。如在圖2a中所示的方面中，自由層14的磁化32可在具有方向d1的第一磁定向狀態(tài)下提供，所述方向平行于參考層12的磁化38的方向f。自由層14的磁化32還可在具有方向d2的第二磁定向狀態(tài)下提供，所述方向與參考層12的磁化38的方向f反平行。然而，圖2b中所示的充電電流20傳播，以便與軸39大體上對準(zhǔn)。在這方面，自由層14定位成使得自由層14的短軸36(即，難軸)相對于充電電流20的傳播以角度φ傾斜。由此，自由層14的短軸36相對于軸39以角度φ傾斜。因此，長軸34(即，易軸)相對于充電電流20的傳播以角度
圖2b中所示的gshemtj元件10因此經(jīng)配置以使得與圖2a中所示的方面相比，閾值電流電平較低。設(shè)定角度φ因此提供用于控制gshemtj元件10的閾值電流電平的技術(shù)。當(dāng)角度φ為約
圖3是圖1、2a和2b中所示的gshemtj元件10的gshe電極18的透視圖。gshe電極18經(jīng)配置以提供gshe，其將充電電流20轉(zhuǎn)換為gshe自旋電流22。gshe電極18由gshe材料形成。gshe材料產(chǎn)生gshe，導(dǎo)致電子在橫越充電電流20的流動的方向上的經(jīng)自旋極化的擴散，如圖3中示出。gshe是歸因于gshe電極18中的自旋軌道耦合，且經(jīng)自旋極化的擴散使電子偏轉(zhuǎn)到gshe電極18的外圍40。因此，充電電流20轉(zhuǎn)換成gshe自旋電流22。形成gshe電極18的gshe材料可為具有高原子數(shù)的金屬，例如鉭、銣、鎢和/或鉑。舉例來說，gshe電極18可由高電阻率形式的β-鉭和β-鎢形成。如圖3中所示，gshe自旋電流22經(jīng)自旋極化，使得gshe自旋電流22的自旋定向處于gshe電極18的外圍40的平面內(nèi)，但橫越(例如正交)充電電流20的傳播方向。
在這方面，提供圖3中的充電電流20，以便從充電電流節(jié)點a傳播到充電電流節(jié)點b。此外，自由層14(圖1中所示)已形成于gshe電極18的外圍40處的電極表面42上。如圖3中所示，gshe自旋電流22因此在沿電極表面42的方向d1上具有自旋極化。盡管gshe自旋電流22中的電子由自由層14反射，但gshe自旋電流22在自由層14上施加自旋扭矩，其驅(qū)動自由層14在方向d1上的磁化。如果已提供了充電電流20，以便從充電電流節(jié)點b傳播到充電電流節(jié)點a，那么產(chǎn)生gshe自旋電流22，以便在沿電極表面42的方向d2上具有自旋極化。在此情況下，gshe自旋電流22在自由層14上施加自旋扭矩，其驅(qū)動自由層14在方向d2上的磁化32(圖2a和2b中所示)。在gshe自旋電流22從gshe電極18傳播出來之后，gshe自旋電流22的自旋極化喪失，且gshe自旋電流22切換回到充電電流20中。
在gshe電極18的鄰接自由層14的電極表面42處，gshe自旋電流22由gshe電極18產(chǎn)生，其中g(shù)she自旋電流22的電流量值根據(jù)自旋霍爾角度θsh(未圖示)與充電電流20的電流量值有關(guān)。自旋霍爾角度θsh定義自旋霍爾比率：
js＝gshe自旋電流22的電流密度
jc＝充電電流20的電流密度
e＝電子的電荷
從高電阻率形式的鉭、銣、鎢和/或鉑形成gshe電極18可使gshe的數(shù)量級改進到～0.30。由此，gshe電極18所提供的gshe比用先前已知電極產(chǎn)生的自旋霍耳效應(yīng)she)大若干個數(shù)量級。由gshe電極18從充電電流20產(chǎn)生的gshe因此提供將充電電流20轉(zhuǎn)換為充電電流30的高效方式。
圖4說明自由層14和gshe電極18的一個方面，其中g(shù)she電極18的電極表面42鄰接自由層14。gshe自旋電流22的電流量值is與充電電流20的電流量值ic的比率與自由層14和gshe電極18的幾何形狀有關(guān)。在圖4中，自由層14和gshe電極18的長度示出為l，自由層14和gshe電極18的寬度示出為w，且gshe電極18的高度示出為t。因此，充電電流20穿過的面積a被定義為高度t乘以寬度w。自旋電流22穿過的面積a被定義為長度l乘以寬度w。gshe自旋電流22的電流量值is與充電電流20的電流量值ic的比率因此可示出為：
由此，對于～0.30的自旋霍爾角度θsh，其中長度l大約為50到100nm，且高度t大約為2nm，電流量值is與電流量值ic的比率
圖5是用以表示圖1的gshemtj元件10的運算符號。gshemtj元件10經(jīng)配置以接收充電電流20。當(dāng)在充電電流節(jié)點a處接收時，充電電流20在從充電電流節(jié)點a到充電電流節(jié)點b的電流方向上傳播。當(dāng)在充電電流節(jié)點b處接收到充電電流20時，充電電流20在從充電電流節(jié)點b到充電電流節(jié)點a的電流方向上傳播。響應(yīng)于充電電流20，gshemtj元件10產(chǎn)生充電電流節(jié)點a與充電電流節(jié)點b之間的gshe自旋電流22。
整數(shù)n是將連接到gshemtj元件10的其它mtj元件的mtj輸入節(jié)點的整數(shù)數(shù)目。整數(shù)m指示提供多少在低電阻狀態(tài)下具有電阻的其它mtj元件，使得gshemtj元件10在大于或等于閾值電流電平的電平下產(chǎn)生gshe自旋電流22。如果其電阻設(shè)定于低電阻狀態(tài)的其它mtj元件的數(shù)目等于或大于整數(shù)數(shù)目m，那么當(dāng)充電電流20在從充電電流節(jié)點a到充電電流節(jié)點b的電流方向上傳播時，gshe自旋電流22將gshemtj元件10的磁定向?qū)?zhǔn)切換到并行磁定向狀態(tài)。如果其電阻設(shè)定于低電阻狀態(tài)的其它mtj元件的數(shù)目等于或大于整數(shù)數(shù)目m，那么當(dāng)充電電流20在從充電電流節(jié)點b到充電電流節(jié)點a的電流方向上傳播時，gshe自旋電流22將gshemtj元件10的磁定向?qū)?zhǔn)切換到反平行磁定向狀態(tài)。否則，如果其電阻設(shè)定于低電阻狀態(tài)的其它元件的數(shù)目小于整數(shù)數(shù)目m，那么維持gshemtj元件10的磁定向?qū)?zhǔn)。gshemtj元件10可經(jīng)設(shè)計和構(gòu)造，以具有處于特定整數(shù)值的整數(shù)數(shù)目m。因此，整數(shù)數(shù)目m指示gshemtj元件10的閾值電流電平。為了讀取gshemtj元件10所存儲的位狀態(tài)(即，邏輯輸出位狀態(tài))，gshemtj元件10經(jīng)配置以產(chǎn)生表示來自充電電流節(jié)點c的位狀態(tài)的充電電流30。gshemtj元件10可響應(yīng)于在充電電流節(jié)點c與充電電流節(jié)點a或充電電流節(jié)點b之間施加的控制電壓而產(chǎn)生充電電流30。
圖6a說明gshemtj元件10a的示范性方面，其為上文關(guān)于圖1所述的gshemtj元件10的一個方面。圖6a中示出gshemtj元件10a的自由層14a以及gshe電極18a，且其分別為圖1中所示的自由層14和gshe電極18的方面。為了控制整數(shù)m(未圖示)，可控制自由層14a的厚度。因此，通過控制自由層14a的厚度，設(shè)定整數(shù)m，且因此閾值電流電平。
可能難以精確地控制自由層14a的厚度來設(shè)定閾值電流電平。由此，圖6b說明gshemtj元件10b的另一方面。圖6b中示出gshemtj元件10b的自由層14b以及gshe電極18b，且其分別為圖1中所示的自由層14和gshe電極18的方面。自由層14b具有安置于gshe電極18b的電極表面46上的磁性層表面44，使得磁性層表面44與gshe電極18b的電極表面46部分地重疊。更具體地說，磁性層表面44安置于電極表面46上，使得磁性層表面44的第一區(qū)域48與gshe電極18b的電極表面46重疊，且磁性層表面44的第二區(qū)域50并不與gshe電極18b的電極表面46重疊。以此方式，連同gshemtj元件10b的閾值電流電平設(shè)定整數(shù)m。因此，控制自由層14b與gshe電極18b之間的重疊的量可用以設(shè)定gshemtj元件10b的閾值電流電平。
圖6c說明gshemtj元件10c的另一方面。圖6c中示出gshemtj元件10c的自由層14c以及gshe電極18c，且其分別為圖1中所示的自由層14和gshe電極18的方面。自由層14c具有安置于gshe電極18c的電極表面54上的磁性層表面52。更具體地說，gshe電極18c的形狀設(shè)計成使得電極表面54的第一區(qū)域56與磁性層表面52重疊。電極表面54的第二區(qū)域58并不與磁性層表面52重疊。電極表面54的第二區(qū)域58環(huán)繞磁性層表面52。以此方式，連同gshemtj元件10c的閾值電流電平設(shè)定整數(shù)m。由此，控制電極表面54的第一區(qū)域56的大小和第二區(qū)域58的大小可用以確定閾值電流電平。
圖7是說明指示圖1中所示的gshemtj元件10的閾值電流電平的斯托納-沃爾法特切換星形線59的一個方面的曲線圖。假定自由層14的易軸(例如圖2a和2b中的長軸34)是自由層14的x軸，而y軸(例如圖2a和2b中的短軸36)在自由層14的平面內(nèi)，但與x軸正交，施加到自由層14的切換場h具有沿x軸的切換場分量hx和沿y軸的切換場分量hy。在此情況下，由于gshe自旋電流22而產(chǎn)生切換場h。磁各向異性場(例如圖2a和2b中所示的自由層14的磁化32)由hk表示。圖7中所示的斯托納-沃爾法特切換星形線59指示切換場分量hx的閾值場量值和切換場分量hy的閾值場量值，其將自由層14的磁化32從一個磁定向?qū)?zhǔn)狀態(tài)切換到另一磁定向?qū)?zhǔn)狀態(tài)(例如從第一磁定向狀態(tài)到第二磁定向狀態(tài)，或從第二磁定向狀態(tài)到第一磁定向狀態(tài))。因此，為了切換自由層14的磁化32，gshe自旋電流22(圖1中所示)必須產(chǎn)生切換場h，使得切換場分量hx超過其閾值場量值，且切換場分量hy超過其閾值場量值，其沿斯托納-沃爾法特切換星形線59標(biāo)繪。因此，斯托納-沃爾法特切換星形線59指示gshemtj元件10的閾值電流電平。在此實例中，斯托納-沃爾法特切換星形線59已相對于磁各向異性場hk而歸一化。
圖7的斯托納-沃爾法特切換星形線59的等式為
圖8說明可用于執(zhí)行邏輯運算，例如“與”運算、“或”運算、“或非”運算或“與非”運算的自旋電子邏輯門60的一個方面。自旋電子邏輯門60包含充電電流產(chǎn)生電路62和gshemtj元件10(“與”)，10(“或”)、10(“與非”)和10(“或非”)，其中的每一者是上文相對于圖1所述的gshemtj元件10的方面。因此，gshemtj元件10(“與”)，10(“或”)、10(“與非”)和10(“或非”)中的每一者包含充電電流節(jié)點a、充電電流節(jié)點b和充電電流節(jié)點c的一個方面。如下文進一步詳細闡釋，通過適當(dāng)?shù)剡B接充電電流節(jié)點a、b，且通過為整數(shù)n、m選擇適當(dāng)?shù)恼麛?shù)值，來確定gshemtj元件10(“與”)，10(“或”)、10(“與非”)和10(“或非”)中的每一者所執(zhí)行的邏輯運算。各自的整數(shù)n等于二(2)。gshemtj元件10(“與”)，10(“或”)、10(“與非”)和10(“或非”)中的每一者具有閾值電流電平，其由整數(shù)m指示。gshemtj元件10(“與”)的整數(shù)m等于一(1)，gshemtj元件10(“或”)的整數(shù)m等于二(2)，gshemtj元件10(“與非”)的整數(shù)m等于一(1)，且gshemtj元件10(“或非”)的整數(shù)m等于二(2)。應(yīng)注意，貫穿圖式的描述，位狀態(tài)的邏輯值“0”由平行磁定向?qū)?zhǔn)狀態(tài)、低電阻性狀態(tài)和高電流量值表示，而位狀態(tài)得邏輯值“1”由反平行磁定向?qū)?zhǔn)狀態(tài)、高電阻性狀態(tài)和低電流量值表示。
充電電流產(chǎn)生電路62經(jīng)配置以產(chǎn)生表示輸入位集合的充電電流20(l)。輸入位集合可包含gshemtj元件10(“與”)，10(“或”)、10(“與非”)和10(“或非”)中的每一者所執(zhí)行的邏輯運算的一或多個輸入位狀態(tài)。在這方面，充電電流產(chǎn)生電路62可進一步經(jīng)配置以存儲輸入位集合。關(guān)于圖8中所示的充電電流產(chǎn)生電路62，充電電流產(chǎn)生電路62經(jīng)配置以將兩個輸入位狀態(tài)存儲在輸入位集合中，且產(chǎn)生充電電流20(l)，使得充電電流20(l)表示輸入位集合中的兩個輸入位狀態(tài)。
為了存儲輸入位集合并產(chǎn)生充電電流20(l)，充電電流產(chǎn)生電路62可包含一組一或多個mtj元件。在這方面中，充電電流產(chǎn)生電路62包含gshemtj元件10(d1)和gshemtj元件10(d2)，其中的每一者是上文相對于圖1所述的gshemtj元件10的方面。因此，gshemtj元件10(d1)和10(d2)中的每一者包含充電電流節(jié)點a、充電電流節(jié)點b和充電電流節(jié)點c的一個方面。gshemtj元件10(d1)經(jīng)配置以存儲輸入位集合的第一輸入位狀態(tài)，而gshemtj元件10(d2)經(jīng)配置以存儲輸入位集合的第二輸入位狀態(tài)。在一個方面中，第一輸入位狀態(tài)和第二輸入位狀態(tài)可由表示第一輸入位狀態(tài)和第二輸入位狀態(tài)的充電電流(未圖示)設(shè)定。舉例來說，表示第一輸入位狀態(tài)的寫入電壓可施加在gshemtj元件10(d1)的充電電流節(jié)點a與充電電流節(jié)點b之間。由此，可響應(yīng)于寫入電壓來產(chǎn)生表示第一輸入位狀態(tài)的充電電流(未圖示)，從而設(shè)定gshemtj元件10(d1)所存儲的第一輸入位狀態(tài)。類似地，表示第二輸入位狀態(tài)的寫入電壓可施加在gshemtj元件10(d2)的充電電流節(jié)點a與充電電流節(jié)點b之間。由此，可響應(yīng)于寫入電壓來產(chǎn)生表示第二輸入位狀態(tài)的充電電流(未圖示)，從而設(shè)定gshemtj元件10(d2)所存儲的第二輸入位狀態(tài)。
充電電流產(chǎn)生電路62中的gshemtj元件10(d1)和gshemtj元件10(d2)可操作地關(guān)聯(lián)，使得gshemtj元件10(d1)和gshemtj元件10(d2)產(chǎn)生充電電流20(l)，其表示輸入位集合的第一輸入位狀態(tài)和第二輸入位狀態(tài)兩者。在圖8中所示的充電電流產(chǎn)生電路62的方面中，gshemtj元件10(d1)和gshemtj元件10(d2)平行地耦合。為了產(chǎn)生充電電流20(l)，gshemtj元件10(d1)經(jīng)配置以產(chǎn)生充電電流30(d1)，其表示第一輸入位狀態(tài)，且gshemtj元件10(d2)經(jīng)配置以產(chǎn)生充電電流30(d2)，其表示第二輸入位狀態(tài)。充電電流30(d1)是從gshemtj元件10(d1)的充電電流節(jié)點c產(chǎn)生，且充電電流30(d2)是從gshemtj元件10(d2)的充電電流節(jié)點c產(chǎn)生。gshemtj元件10(d1)的充電電流節(jié)點c和gshemtj元件10(d2)的充電電流節(jié)點c彼此連接。由此，充電電流30(d1)和充電電流30(d2)組合以提供充電電流20(l)。gshemtj元件10(d1)和gshemtj元件10(d2)因此耦合，使得充電電流20(l)包含充電電流30(d1)和充電電流30(d2)。由此，充電電流20(l)同時表示輸入位集合的第一輸入位狀態(tài)和第二輸入位狀態(tài)。
舉例來說，假定gshemtj元件10(d1)和gshemtj元件10(d2)兩者處于平行磁定向?qū)?zhǔn)狀態(tài)，其因此第一輸入位狀態(tài)和第二輸入位狀態(tài)兩者具有邏輯值“0”。如果充電電流30(d1)和充電電流30(d2)兩者具有高電流量值，那么充電電流20(l)的充電電流量值將在高電流狀態(tài)下提供。充電電流20(l)因此表示邏輯值“00”。
或者，如果gshemtj元件10(d1)處于平行磁定向?qū)?zhǔn)狀態(tài)，且gshemtj元件10(d2)處于反平行磁定向?qū)?zhǔn)狀態(tài)，那么第一輸入位狀態(tài)具有邏輯值“0”，且第二輸入位狀態(tài)具有邏輯值“1”。在此情況下，充電電流30(d1)具有高電流量值，且充電電流30(d2)具有低電流量值。充電電流30(d1)因此表示具有邏輯值“0”的第一輸入位狀態(tài)，且充電電流30(d2)因此表示具有邏輯值“1”的第二輸入位狀態(tài)。此外，如果gshemtj元件10(d1)處于反平行磁定向?qū)?zhǔn)狀態(tài)，且gshemtj元件10(d2)處于平行磁定向?qū)?zhǔn)狀態(tài)，那么第一輸入位狀態(tài)具有邏輯值“1”，且第二輸入位狀態(tài)具有邏輯值“0”。充電電流30(d1)因此表示具有邏輯值“1”的第一輸入位狀態(tài)。此外，充電電流30(d2)表示具有邏輯值“0”的第二輸入位狀態(tài)。如果充電電流30(d1)、30(d2)中的一者具有高電流量值，且充電電流30(d1)、30(d2)中的另一者具有低電流量值，充電電流20(l)的充電電流量值將處于中等電流狀態(tài)。充電電流20(l)因此表示邏輯值“01”或邏輯值“10”。
最后，假定gshemtj元件10(d1)和gshemtj元件10(d2)兩者均處于反平行磁定向?qū)?zhǔn)狀態(tài)，且因此第一輸入位狀態(tài)和第二輸入位狀態(tài)兩者均具有邏輯值“1”。如果充電電流30(d1)和充電電流30(d2)兩者具有低電流量值，那么充電電流20(l)的充電電流量值將在低電流狀態(tài)下提供。充電電流20(l)因此表示邏輯值“11”。
在這方面，gshemtj元件10(“與”)、10(“或”)、10(“與非”)、10(“或非”)中的每一者經(jīng)配置以為邏輯運算設(shè)定邏輯輸出位狀態(tài)，并存儲所述邏輯輸出位狀態(tài)。更具體地說，gshemtj元件10(“與”)經(jīng)配置以為“與”運算存儲并設(shè)定第一邏輯輸出位狀態(tài)。gshemtj元件10(“與”)經(jīng)配置以通過gshemtj元件10(“與”)的充電電流節(jié)點a和充電電流節(jié)點b的布置，且通過為gshemtj元件10(“與”)選擇整數(shù)m和n，來執(zhí)行“與”運算。gshemtj元件10(“或”)經(jīng)配置以為“或”運算存儲并設(shè)定第二邏輯輸出位狀態(tài)。gshemtj元件10(“或”)經(jīng)配置以通過gshemtj元件10(“或”)的充電電流節(jié)點a和充電電流節(jié)點b的布置，且通過為gshemtj元件10(“或”)選擇整數(shù)m和n，來執(zhí)行“或”運算。gshemtj元件10(“與非”)經(jīng)配置以為“與非”運算存儲并設(shè)定第三邏輯輸出位狀態(tài)。gshemtj元件10(“與非”)經(jīng)配置以通過gshemtj元件10(“與非”)的充電電流節(jié)點a和充電電流節(jié)點b的布置，且通過為gshemtj元件10(“與非”)選擇整數(shù)m和n，來執(zhí)行“與非”運算。最后，gshemtj元件10(“或非”)經(jīng)配置以為“或非”運算存儲并設(shè)定第四邏輯輸出位狀態(tài)。gshemtj元件10(“或非”)經(jīng)配置以通過gshemtj元件10(“或非”)的充電電流節(jié)點a和充電電流節(jié)點b的布置，且通過為gshemtj元件10(“或非”)選擇整數(shù)m和n，來執(zhí)行“或非”運算。
圖8中所示的gshemtj元件10(“與”)、10(“或”)、10(“與非”)、10(“或非”)各自串聯(lián)耦合。因此，gshemtj元件10(“與”)、10(“或”)、10(“與非”)、10(“或非”)中的每一者經(jīng)配置以接收充電電流20(l)，其表示如上文所描述的輸入位集合。gshemtj元件10(“與”)、10(“或”)、10(“與非”)、10(“或非”)中的每一者的整數(shù)n為二(2)，因為充電電流產(chǎn)生電路62具有由gshemtj元件10(d1)和gshemtj元件10(d2)提供的兩個mtj輸入節(jié)點。由此，來自充電電流產(chǎn)生電路62的輸入位集合具有兩個輸入位狀態(tài)：gshemtj元件10(d1)所存儲的第一輸入位狀態(tài)，以及gshemtj元件10(d2)所存儲的第二輸入位狀態(tài)。為了描述gshemtj元件10(“與”)、10(“或”)、10(“與非”)、10(“或非”)所執(zhí)行的邏輯運算，假定gshemtj元件10(“與”所存儲的第一邏輯輸出位狀態(tài)已預(yù)設(shè)為具有邏輯值“1”(即，反平行磁定向?qū)?zhǔn))，gshemtj元件10(“或”)所存儲的第二邏輯輸出位狀態(tài)已預(yù)設(shè)為具有邏輯值“1”(即，反平行磁定向?qū)?zhǔn))，gshemtj元件10(“與非”)所存儲的第三邏輯輸出位狀態(tài)已預(yù)設(shè)為具有邏輯值“0”(即，并行磁定向?qū)?zhǔn))，且gshemtj元件10(“或非”)所存儲的第四邏輯輸出位狀態(tài)已預(yù)設(shè)為具有邏輯值“0”(即，并行磁定向?qū)?zhǔn))。在所說明的其中g(shù)shemtj元件10(“與”)、10(“或”)、10(“與非”)、10(“或非”)串聯(lián)連接的情況下，可通過將示出為預(yù)設(shè)電流66的初始充電電流20(l)從gshemtj元件10(“或非”)的充電電流節(jié)點a發(fā)射到gshemtj元件10(“與”)的充電電流節(jié)點a來實現(xiàn)假定的預(yù)設(shè)?？赏ㄟ^適當(dāng)?shù)卦O(shè)定控制信號φ3和φ2來實現(xiàn)建立預(yù)設(shè)電流66，如下文將進一步闡釋。應(yīng)注意，預(yù)設(shè)電流66可潛在地在反向方向上回流到充電電流產(chǎn)生電路62，其導(dǎo)致自旋電子邏輯門60的不正確操作。下文論述的示范性方面包含防止預(yù)設(shè)電流66以不正確方式回流到充電電流產(chǎn)生電路62中的技術(shù)。
一旦已結(jié)合預(yù)設(shè)電流建立邏輯輸出位狀態(tài)，圖8的自旋電子邏輯門60的操作就如下繼續(xù)。充電電流20(l)由gshemtj元件10(“與”)在gshemtj元件10(“與”)的充電電流節(jié)點a處接收。gshemtj元件10(“與”)經(jīng)配置以響應(yīng)于充電電流20(l)產(chǎn)生gshe自旋電流22(“與”)。更具體地說，gshemtj元件10(“與”)經(jīng)配置以產(chǎn)生gshe，其將充電電流20(l)轉(zhuǎn)換為gshe自旋電流22(“與”)。gshemtj元件10(“與”)具有由gshemtj元件10(“與”)的整數(shù)m(其具有整數(shù)值一(1))以及gshemtj元件10(“與”)的整數(shù)n(其具有整數(shù)值二(2))指示的閾值電流電平。
gshemtj元件10(“與”)經(jīng)配置以通過基于gshe自旋電流22(“與”)是否超過gshemtj元件10(“與”)的閾值電流電平設(shè)定第一邏輯輸出位狀態(tài)s(“與”)，來對輸入位集合(即，第一輸入位狀態(tài)b1和第二輸入位狀態(tài)b2)執(zhí)行“與”運算。更具體地說，當(dāng)?shù)谝惠斎胛粻顟B(tài)b1和第二輸入位狀態(tài)b2中的任一者或兩者具有邏輯值“0”時，gshe自旋電流22(“與”)超過gshemtj元件10(“與”)的閾值電流電平。當(dāng)gshe自旋電流22(“與”)超過gshemtj元件10(“與”)的閾值電流電平時，gshemtj元件10(“與”)經(jīng)配置以使第一邏輯輸出位狀態(tài)s(“與”)從邏輯值“1”(即，反平行磁定向狀態(tài)，其為預(yù)設(shè)的)切換到邏輯值“0”(即，平行磁定向狀態(tài))，因為充電電流20(l)是在充電電流節(jié)點a處接收。否則，當(dāng)?shù)谝惠斎胛粻顟B(tài)b1和第二輸入位狀態(tài)b2兩者均具有邏輯值“1”時，gshe自旋電流22(“與”)低于gshemtj元件10(“與”)的閾值電流電平。當(dāng)gshe自旋電流22(“與”)低于gshemtj元件10(“與”)的閾值電流電平時，gshemtj元件10(“與”)經(jīng)配置以使第一邏輯輸出位狀態(tài)s(“與”)維持在邏輯值“1”(即，反平行磁定向狀態(tài))。在gshemtj元件10(“與”)的充電電流節(jié)點b處，gshe自旋電流22(“與”)轉(zhuǎn)換回充電電流20(l)。為了讀取第一邏輯輸出位狀態(tài)s(“與”)，gshemtj元件10(“與”)經(jīng)配置以產(chǎn)生充電電流30(“與”)，其表示來自gshemtj元件10(“與”)的充電電流節(jié)點c的第一邏輯輸出位狀態(tài)s(“與”)。
充電電流20(l)由gshemtj元件10(“或”)在gshemtj元件10(“或”)的充電電流節(jié)點a處接收。gshemtj元件10(“或”)經(jīng)配置以響應(yīng)于充電電流20(l)產(chǎn)生gshe自旋電流22(“或”)。更具體地說，gshemtj元件10(“或”)經(jīng)配置以產(chǎn)生gshe，其將充電電流20(l)轉(zhuǎn)換為gshe自旋電流22(“或”)。gshemtj元件10(“或”)具有由gshemtj元件10(“或”)的整數(shù)m(其具有整數(shù)值二(2))以及gshemtj元件10(“或”)的整數(shù)n(其具有整數(shù)值二(2))指示的閾值電流電平。
gshemtj元件10(“或”)經(jīng)配置以通過基于gshe自旋電流22(“或”)是否超過gshemtj元件10(“或”)的閾值電流電平設(shè)定第二邏輯輸出位狀態(tài)s(“或”)，來對輸入位集合(即，第一輸入位狀態(tài)b1和第二輸入位狀態(tài)b2)執(zhí)行“或”運算。更具體地說，當(dāng)?shù)谝惠斎胛粻顟B(tài)b1和第二輸入位狀態(tài)b2兩者均具有邏輯值“0”時，gshe自旋電流22(“或”)超過gshemtj元件10(“或”)的閾值電流電平。當(dāng)gshe自旋電流22(“或”)超過gshemtj元件10(“或”)的閾值電流電平時，gshemtj元件10(“或”)經(jīng)配置以將第二邏輯輸出位狀態(tài)s(“或”)從邏輯值“1”(即，反平行磁定向狀態(tài))切換到邏輯值“0”(即，平行磁定向狀態(tài))，因為充電電流20(l)是在充電電流節(jié)點a處接收。否則，當(dāng)?shù)谝惠斎胛粻顟B(tài)b1和第二輸入位狀態(tài)b2中的任一者或兩者具有邏輯值“1”時，gshe自旋電流22(“或”)低于gshemtj元件10(“或”)的閾值電流電平。當(dāng)gshe自旋電流22(“或”)低于gshemtj元件10(“或”)的閾值電流電平時，gshemtj元件10(“或”)經(jīng)配置以使第二邏輯輸出位狀態(tài)s(“或”)維持在邏輯值“1”(即，反平行磁定向狀態(tài))。在gshemtj元件10(“或”)的充電電流節(jié)點b處，gshe自旋電流22(“或”)轉(zhuǎn)換回充電電流20(l)。為了讀取第二邏輯輸出位狀態(tài)s(“或”)，gshemtj元件10(“或”)經(jīng)配置以產(chǎn)生充電電流30(“或”)，其表示來自gshemtj元件10(“或”)的充電電流節(jié)點c的第二邏輯輸出位狀態(tài)s(“或”)。
接下來，充電電流20(l)由gshemtj元件10(“與非”)在gshemtj元件10(“與非”)的充電電流節(jié)點b處接收。gshemtj元件10(“與非”)經(jīng)配置以響應(yīng)于充電電流20(l)產(chǎn)生gshe自旋電流22(“與非”)。更具體地說，gshemtj元件10(“與非”)經(jīng)配置以產(chǎn)生gshe，其將充電電流20(l)轉(zhuǎn)換為gshe自旋電流22(“與非”)。gshemtj元件10(“與非”)具有由gshemtj元件10的整數(shù)m(其具有整數(shù)值一(1))以及gshemtj元件10(“與非”)的整數(shù)n(其具有整數(shù)值二(2))指示的閾值電流電平。
gshemtj元件10(“與非”)經(jīng)配置以通過基于gshe自旋電流22(“與非”)是否超過gshemtj元件10(“與非”)的閾值電流電平設(shè)定第三邏輯輸出位狀態(tài)s(“與非”)，來對輸入位集合(即，第一輸入位狀態(tài)b1和第二輸入位狀態(tài)b2)執(zhí)行“與非”運算。更具體地說，當(dāng)?shù)谝惠斎胛粻顟B(tài)b1和第二輸入位狀態(tài)b2中的任一者或兩者具有邏輯值“0”時，gshe自旋電流22(“與非”)超過gshemtj元件10(“與非”)的閾值電流電平。當(dāng)gshe自旋電流22(“與非”)超過gshemtj元件10(“與非”)的閾值電流電平時，gshemtj元件10(“與非”)經(jīng)配置以將第三邏輯輸出位狀態(tài)s(“與非”)從邏輯值“0”(即，平行磁定向狀態(tài))切換到邏輯值“1”(即，反平行磁定向狀態(tài))，因為充電電流20(l)是在充電電流節(jié)點b處接收。否則，當(dāng)?shù)谝惠斎胛粻顟B(tài)b1和第二輸入位狀態(tài)b2兩者均具有邏輯值“1”時，gshe自旋電流22(“與非”)低于gshemtj元件10(“與非”)的閾值電流電平。當(dāng)gshe自旋電流22(“與非”)低于gshemtj元件10(“與非”)的閾值電流電平時，gshemtj元件10(“與非”)經(jīng)配置以使第三邏輯輸出位狀態(tài)s(“與非”)維持在邏輯值“0”(即，平行磁定向狀態(tài))。在gshemtj元件10(“與非”)的充電電流節(jié)點a處，gshe自旋電流22(“與非”)轉(zhuǎn)換回充電電流20(l)。為了讀取第三邏輯輸出位狀態(tài)s(“與非”)，gshemtj元件10(“與非”)經(jīng)配置以產(chǎn)生充電電流30(“與非”)，其表示來自gshemtj元件10(“與非”)的充電電流節(jié)點c的第三邏輯輸出位狀態(tài)s(“與非”)。
最后，充電電流20(l)由gshemtj元件10(“或非”)在gshemtj元件10(“或非”)的充電電流節(jié)點b處接收。gshemtj元件10(“或非”)經(jīng)配置以響應(yīng)于充電電流20(l)產(chǎn)生gshe自旋電流22(“或非”)。更具體地說，gshemtj元件10(“或非”)經(jīng)配置以產(chǎn)生gshe，其將充電電流20(l)轉(zhuǎn)換為gshe自旋電流22(“或非”)。gshemtj元件10(“或非”)具有由gshemtj元件10(“或非”)的整數(shù)m(其具有整數(shù)值二(2))以及gshemtj元件10(“或”)的整數(shù)n(其具有整數(shù)值二(2))指示的閾值電流電平。
gshemtj元件10(“或非”)經(jīng)配置以通過基于gshe自旋電流22(“或非”)是否超過gshemtj元件10(“或非”)的閾值電流電平設(shè)定第四邏輯輸出位狀態(tài)s(“或非”)，對輸入位集合(即，第一輸入位狀態(tài)b1和第二輸入位狀態(tài)b2)執(zhí)行“或非”運算。更具體地說，當(dāng)?shù)谝惠斎胛粻顟B(tài)b1和第二輸入位狀態(tài)b2兩者均具有邏輯值“0”時，gshe自旋電流22(“或非”)超過gshemtj元件10(“或非”)的閾值電流電平。當(dāng)gshe自旋電流22(“或非”)超過gshemtj元件10(“或非”)的閾值電流電平時，gshemtj元件10(“或非”)經(jīng)配置以將第四邏輯輸出位狀態(tài)s(“或非”)從邏輯值“0”(即，平行磁定向狀態(tài))切換到邏輯值“1”(即，反平行磁定向狀態(tài))，因為充電電流20(l)是在充電電流節(jié)點b處接收。否則，當(dāng)?shù)谝惠斎胛粻顟B(tài)b1或第二輸入位狀態(tài)b2具有邏輯值“1”時，gshe自旋電流22(“或非”)低于gshemtj元件10(“或非”)的閾值電流電平。當(dāng)gshe自旋電流22(“或非”)低于gshemtj元件10(“或非”)的閾值電流電平時，gshemtj元件10(“或非”)經(jīng)配置以使第四邏輯輸出位狀態(tài)s(“或非”)維持在邏輯值“0”(即，平行磁定向狀態(tài))。在gshemtj元件10(“或非”)的充電電流節(jié)點a處，gshe自旋電流22(“或非”)轉(zhuǎn)換回充電電流20(l)。為了讀取第四邏輯輸出位狀態(tài)s(“與非”)，gshemtj元件10(“或非”)經(jīng)配置以產(chǎn)生充電電流30(“與非”)，其表示來自gshemtj元件10(“或非”)的充電電流節(jié)點c的第四邏輯輸出位狀態(tài)s(“或非”)。
如下文進一步詳細闡釋，自旋電子邏輯門60經(jīng)配置以接收控制信號φ1、控制信號φ2和控制信號φ3，以便使gshemtj元件10(d1)、10(d2)、10(“與”)、10(“或”)、10(“與非”)、10(“或非”)的運算同步。以此方式，位狀態(tài)b1、b2、s(“與”)、s(“或”)、s(“或非”)、s(“與非”)以經(jīng)同步方式更新。注意，gshemtj元件10(“與”)、10(“或”)、10(“與非”)和10(“或非”)的磁定向?qū)?zhǔn)和電阻可用以存儲其相應(yīng)邏輯運算的結(jié)果，而無需單獨的循序邏輯元件。
通過并行提供充電電流產(chǎn)生電路62的gshemtj元件10(d1)、10(d2)，到gshemtj元件10(d1)、10(d2)的驅(qū)動電壓不必如此高。然而，當(dāng)gshemtj元件10(d1)、10(d2)并聯(lián)連接時，充電電流產(chǎn)生電路62可具有降低的扇出性能，因為充電電流產(chǎn)生電路62的輸入電阻減小。并且，在這方面，gshemtj元件10(“與”)、10(“或”)、10(“與非”)和10(“或非”)串聯(lián)耦合。串聯(lián)布置提供較好的扇出，因為當(dāng)執(zhí)行邏輯運算的gshemtj元件10(“與”)、10(“或”)、10(“與非”)和10(“或非”)的數(shù)目增加時，歸因于串聯(lián)布置，充電電流20不必增加。然而，串聯(lián)布置還可要求將較高的驅(qū)動電壓提供到gshemtj元件10(“與”)、10(“或”)、10(“與非”)和10(“或非”)。
現(xiàn)在參看圖8和9，圖9說明一組真值表t(“與”)、t(“或”)、t(“與非”)和t(“或非”)，其共同地表示圖8中所示的自旋電子邏輯門60中的gshemtj元件10(“與”)、10(“或”)、10(“與非”)和10(“或非”)所執(zhí)行的邏輯運算。真值表t(“與”)、t(“或”)、t(“與非”)和t(“或非”)的邏輯運算假定gshemtj元件10(“與”)已預(yù)設(shè)為具有邏輯值“1”，gshemtj元件10(“或”)已預(yù)設(shè)為具有邏輯值“1”，gshemtj元件10(“與非”)已預(yù)設(shè)為具有邏輯值“0”，且gshemtj元件10(“或非”)已預(yù)設(shè)為具有邏輯值“0”。
現(xiàn)在參考圖8和10，圖10說明表示控制信號φ1的控制狀態(tài)、控制信號φ2的控制狀態(tài)和控制信號φ3的控制狀態(tài)的時序圖?？刂茽顟B(tài)h表示高電壓狀態(tài)、控制狀態(tài)l表示低電壓狀態(tài)，且控制狀態(tài)z表示高阻抗?fàn)顟B(tài)。在預(yù)設(shè)模式期間，控制信號φ1處于控制狀態(tài)z，控制信號φ2處于控制狀態(tài)l，且控制信號φ3處于控制狀態(tài)h。由此，產(chǎn)生預(yù)設(shè)充電電流66(圖8中所示)，其從控制信號φ3傳播到控制信號φ2。注意，充電電流20(l)在跨越gshemtj元件10(“與”)、10(“或”)、10(“與非”)和10(“或非”)的第一電流方向上傳播，而預(yù)設(shè)充電電流66在跨越gshemtj元件10(“與”)、10(“或”)、10(“與非”)和10(“或非”)的第二電流方向上傳播，其中所述第二電流方向與所述第一電流方向正相反，且在本文中也被稱作“反向方向”。以此方式，將gshemtj元件10(“與”)、10(“或”)、10(“與非”)和10(“或非”)的邏輯輸出位狀態(tài)s(“與”)、s(“或”)、s(“與非”)和s(“或非”)預(yù)設(shè)為分別具有邏輯值“1”、“1”、“0”和“0”。這些是邏輯輸出位狀態(tài)s(“與”)、s(“或”)、s(“與非”)和s(“或非”)的默認邏輯值?？稍陬A(yù)設(shè)模式之前，通過寫入電壓來設(shè)定gshemtj元件10(d1)、10(d2)的第一輸入位狀態(tài)b1和第二輸入位狀態(tài)b2。在替代方面中，可在預(yù)設(shè)模式期間設(shè)定第一輸入位狀態(tài)b1和第二輸入位狀態(tài)b2。
在計算模式期間，控制信號φ1處于控制狀態(tài)h，控制信號φ2處于控制狀態(tài)z，且控制信號φ3處于控制狀態(tài)l。由此，為了讀取充電電流產(chǎn)生電路62所存儲的第一輸入位狀態(tài)b1和第二輸入位狀態(tài)b2，且為了執(zhí)行上文相對于圖8所述的gshemtj元件10(“與”)、10(“或”)、10(“與非”)和10(“或非”)的邏輯運算，產(chǎn)生充電電流20(l)。
圖11說明自旋電子邏輯門68的另一方面。自旋電子邏輯門68包含充電電流產(chǎn)生電路70，以及上文相對于圖8所述的gshemtj元件10(“與”)、10(“或”)、10(“與非”)和10(“或非”)。gshemtj元件10(“與”)、10(“或”)、10(“與非”)和10(“或非”)也以與上文相對于圖8所述的相同方式串聯(lián)耦合。類似于圖8說明的充電電流產(chǎn)生電路62，充電電流產(chǎn)生電路70包含gshemtj元件10(d1)、10(d2)，且經(jīng)配置以產(chǎn)生表示第一輸入位狀態(tài)b1和第二輸入位狀態(tài)b2的充電電流20(l)。更具體地說，gshemtj元件10(d1)和10(d2)可操作地關(guān)聯(lián)，以便產(chǎn)生充電電流20(l)。然而，圖11中所示的gshemtj元件10(d1)、10(d2)串聯(lián)耦合。因此，gshemtj元件10(d1)的充電電流節(jié)點c連接到gshemtj元件10(d2)的充電電流節(jié)點b。因此，gshemtj元件10(d1)和gshemtj元件10(d2)耦合，使得充電電流20(l)從gshemtj元件10(d1)和gshemtj元件10(d2)傳播。在這方面，充電電流20(l)從gshemtj元件10(d1)的充電電流節(jié)點c傳播到gshemtj元件10(d2)的充電電流節(jié)點b。充電電流20(l)接著從gshemtj元件10(d2)的充電電流節(jié)點c傳播到gshemtj元件10(“與”)、10(“或”)、10(“與非”)和10(“或非”)。與圖8的充電電流產(chǎn)生電路62相比，充電電流產(chǎn)生電路70可具有較好的扇出，因為串聯(lián)連接gshemtj元件10(d1)、10(d2)增加了充電電流產(chǎn)生電路70的輸入電阻。
圖12說明自旋電子邏輯門72的另一方面。自旋電子邏輯門72包含上文相對于圖11所述的充電電流產(chǎn)生電路70，以及上文相對于圖8所述的gshemtj元件10(“與”)，10(“或”)、10(“與非”)和10(“或非”)。gshemtj元件10(“與”)、10(“或”)、10(“與非”)和10(“或非”)中的每一者經(jīng)配置以響應(yīng)于充電電流20(l)分別產(chǎn)生gshe自旋電流22(“與”)、22(“或”)、22(“與非”)和22(“或非”)。然而，在這方面，gshemtj元件10(“與”)、10(“或”)、10(“與非”)和10(“或非”)并聯(lián)耦合。并聯(lián)連接產(chǎn)生反向電流路徑，例如潛路徑120，從控制信號φ3到控制信號φ2的預(yù)設(shè)電流66可通過其回流到輸入位狀態(tài)b1/b2。在下文所描述的示范性方面中，可消除潛路徑120。
由此，在圖12中，gshemtj元件10(“與”)經(jīng)配置以在充電電流節(jié)點a處接收充電電流20(“與”)。充電電流20(“與”)是充電電流20(l)的一部分。由于充電電流20(“與”)與充電電流20(l)成比例，因此充電電流20(“與”)還表示第一輸入位狀態(tài)b1和第二輸入位狀態(tài)b2。gshemtj元件10(“與”)經(jīng)配置以產(chǎn)生gshe，其將充電電流20(“與”)轉(zhuǎn)換為gshe自旋電流22(“與”)。如上文所描述，gshemtj元件10(“與”)經(jīng)配置以基于gshe自旋電流22(“與”)是否超過gshemtj元件10(“與”)的閾值電流電平而執(zhí)行“與”運算。
此外，gshemtj元件10(“或”)經(jīng)配置以在充電電流節(jié)點a處接收充電電流20(“或”)。充電電流20(“或”)是充電電流20(l)的一部分。由于充電電流20(“或”)與充電電流20(l)成比例，因此充電電流20(“或”)還表示第一輸入位狀態(tài)b1和第二輸入位狀態(tài)b2。gshemtj元件10(“或”)經(jīng)配置以產(chǎn)生gshe，其將充電電流20(“或”)轉(zhuǎn)換為gshe自旋電流22(“或”)。如上文所描述，gshemtj元件10(“或”)經(jīng)配置以基于gshe自旋電流22(“或”)是否超過gshemtj元件10(“或”)的閾值電流電平而執(zhí)行“或”運算。
此外，gshemtj元件10(“與非”)經(jīng)配置以在充電電流節(jié)點b處接收充電電流20(“與非”)。充電電流20(“與非”)是充電電流20(l)的一部分。由于充電電流20(“與非”)與充電電流20(l)成比例，因此充電電流20(“與非”)還表示第一輸入位狀態(tài)b1和第二輸入位狀態(tài)b2。gshemtj元件10(“與非”)經(jīng)配置以產(chǎn)生gshe，其將充電電流20(“與非”)轉(zhuǎn)換為gshe自旋電流22(“與非”)。如上文所描述，gshemtj元件10(“與非”)經(jīng)配置以基于gshe自旋電流22(“與非”)是否超過gshemtj元件10(“與非”)的閾值電流電平而執(zhí)行“或非”運算。
最后，gshemtj元件10(“或非”)經(jīng)配置以在充電電流節(jié)點b處接收充電電流20(“或非”)。充電電流20(“或非”)是充電電流20(l)的一部分。由于充電電流20(“或非”)與充電電流20(l)成比例，因此充電電流20(“或非”)還表示第一輸入位狀態(tài)b1和第二輸入位狀態(tài)b2。gshemtj元件10(“或非”)經(jīng)配置以產(chǎn)生gshe，其將充電電流20(“或非”)轉(zhuǎn)換為gshe自旋電流22(“或非”)。如上文所描述，gshemtj元件10(“或非”)經(jīng)配置以基于gshe自旋電流22(“或非”)是否超過gshemtj元件10(“或非”)的閾值電流電平而執(zhí)行“與非”運算。通過并聯(lián)耦合，gshemtj元件10(“與”)、10(“或”)、10(“與非”)和10(“或非”)可接收較低驅(qū)動電壓，但歸因于關(guān)于充電電流20(l)的高電流要求，而可具有降低的扇出性能。
圖13說明自旋電子邏輯門74的另一方面。自旋電子邏輯門74包含上文相對于圖8所述的充電電流產(chǎn)生電路62，以及gshemtj元件10(“與”)、10(“或”)、10(“與非”)和10(“或非”)。在這方面，gshemtj元件10(“與”)、10(“或”)、10(“與非”)和10(“或非”)如上文在圖12中所描述并聯(lián)耦合。由此，與圖8中所示的自旋電子邏輯門60、圖11中所示的自旋電子邏輯門68和圖12中所示的自旋電子邏輯門72相比，到圖13中所示的自旋電子邏輯門74的驅(qū)動電壓可處于其最低值。然而，自旋電子邏輯門74可具有最差扇出性能。此外，同樣，并聯(lián)連接可創(chuàng)建反向電流路徑，例如潛路徑130，預(yù)設(shè)電流66可通過其回流到輸入位狀態(tài)b1/b2。在下文所描述的示范性方面中，可消除潛路徑130。
現(xiàn)在參考圖14a和14b，圖14a說明管線電路76的一個方面。管線電路76包含一或多個管線級1a和1b(一般稱為管線級1)、管線級2a和2b(一般稱為管線級2)，以及管線級3a和3b(一般稱為管線級3)。管線級1、2和3各自經(jīng)配置以接收控制信號φ1、控制信號φ2和控制信號φ3，以便使管線級1、2和3中的每一者的預(yù)設(shè)模式和計算模式同步。圖14a中的gshemtj元件10(buf)包括圖1中所示的gshemtj元件10的方面，但經(jīng)配置以通過充電電流節(jié)點a、b的所描繪的連接以及gshemtj元件10(buf)中的每一者的整數(shù)m、n的選擇來執(zhí)行緩沖運算。圖14a中的gshemtj元件10(inv)包括圖1中所示的gshemtj元件10的方面，但經(jīng)配置以通過充電電流節(jié)點a、b的所描繪的連接以及gshemtj元件10(inv)中的每一者的整數(shù)m、n的選擇來執(zhí)行反轉(zhuǎn)運算。在這點上，gshemtj元件10(buf)和gshemtj元件10(inv)中的每一者的整數(shù)n(見圖5)是一(1)。gshemtj元件10(buf)和mtj元件10(inv)中的每一者的整數(shù)m也是一(1)。
如圖14a和14b所示，圖14b說明表示控制信號φ1的控制狀態(tài)、控制信號φ2的控制狀態(tài)和控制信號φ3的控制狀態(tài)的時序圖?？刂茽顟B(tài)h表示高電壓狀態(tài)，且控制狀態(tài)l表示低電壓狀態(tài)。將控制狀態(tài)h與控制狀態(tài)l之間的電壓差設(shè)定成產(chǎn)生充分電流量值的充電電流或預(yù)設(shè)電流，以預(yù)設(shè)管線級1、2和3中的gshemtj元件10(inv)和gshemtj元件10(buf)中的任一者，不管gshemtj元件10(inv)和gshemtj元件10(buf)所提供的整數(shù)m的整數(shù)值。然而，如先前所闡釋，預(yù)設(shè)電流可引起潛路徑。另外，圖14a說明另一潛路徑140，其可歸因于從一個管線級(例如管線級3a)流動到非既定管線級(例如管線級2b)的寫入電流而產(chǎn)生。將在以下部分中闡釋潛路徑140以及消除潛路徑140的方面?？刂茽顟B(tài)z表示高阻抗?fàn)顟B(tài)，而控制狀態(tài)h表示低于控制狀態(tài)h但不足以產(chǎn)生具有足夠高的電流量值以切換管線級1、2和3中的gshemtj元件10(inv)和gshemtj元件10(buf)的電流的中間高電壓狀態(tài)。控制狀態(tài)h與控制狀態(tài)l之間的電壓差設(shè)定為使得其產(chǎn)生適當(dāng)量值的充電電流，以允許gshemtj元件10(inv)和gshemtj元件10(buf)執(zhí)行其相應(yīng)邏輯功能，而不影響gshemtj元件10(inv)和gshemtj元件10(buf)正存儲的位狀態(tài)。
在預(yù)設(shè)模式1中，將管線級1預(yù)設(shè)為默認邏輯值。接下來，在計算模式1中，將充電電流30(3)提供到管線級1中的gshemtj元件10(buf)和gshemtj元件10(inv)，使得gshemtj元件10(buf)和gshemtj元件10(inv)執(zhí)行其對應(yīng)邏輯運算。管線級1a具備來自先前管線級(未圖示)的充電電流30(3)。管線級1b具備來自管線級3a的充電電流30(3)。將來自管線級3b的充電電流30(3)提供到后續(xù)管線級1(未圖示)。來自管線級3的位狀態(tài)因此在計算模式1中讀取，且gshemtj元件10(buf)和gshemtj元件10(inv)通過產(chǎn)生gshe自旋電流22(1)執(zhí)行其相應(yīng)邏輯運算，其設(shè)定管線級1中的gshemtj元件10(buf)和gshemtj元件10(inv)所存儲的位狀態(tài)。管線級2在預(yù)設(shè)模式1和計算模式1兩者期間提供對管線級1和3的隔離。
在預(yù)設(shè)模式2中，將管線級2預(yù)設(shè)為默認邏輯值。接下來，在計算模式2中，將充電電流30(1)提供到管線級2中的gshemtj元件10(inv)，使得gshemtj元件10(inv)執(zhí)行其反轉(zhuǎn)運算。管線級2a具備來自管線級1a的充電電流30(1)。管線級2b具備來自管線級1b的充電電流30(1)。來自管線級1的位狀態(tài)因此在計算模式2中讀取，且gshemtj元件10(inv)通過產(chǎn)生gshe自旋電流22(2)來執(zhí)行其相應(yīng)反轉(zhuǎn)運算，其設(shè)定管線級2中的gshemtj元件10(inv)所存儲的位狀態(tài)。管線級3在預(yù)設(shè)模式2和計算模式2兩者期間提供對管線級1和2的隔離。
在預(yù)設(shè)模式3中，將管線級3預(yù)設(shè)為默認邏輯值。接下來，在計算模式3中，將充電電流30(2)提供到管線級3中的gshemtj元件10(buf)和gshemtj元件10(inv)，使得gshemtj元件10(buf)和gshemtj元件10(inv)執(zhí)行其對應(yīng)邏輯運算。管線級3a具備來自管線級2a的充電電流30(2)。管線級3a具備來自管線級2b的充電電流30(2)。來自管線級2的位狀態(tài)因此在計算模式3中讀取，且管線級3中的gshemtj元件10(buf)和gshemtj元件10(inv)通過產(chǎn)生gshe自旋電流22(3)來執(zhí)行其相應(yīng)邏輯運算，其設(shè)定管線狀態(tài)3中的gshemtj元件10(buf)和gshemtj元件10(inv)所存儲的位狀態(tài)。管線級1在預(yù)設(shè)模式3和計算模式3兩者期間提供管線級2與3之間的隔離。
認識到預(yù)設(shè)模式1到3和計算模式1到3的以上闡釋，現(xiàn)將闡釋潛路徑產(chǎn)生的可能性。參看圖14b，舉例來說，在計算模式2期間，發(fā)現(xiàn)控制信號φ1為高或處于控制狀態(tài)h，且控制信號φ2為低或處于控制狀態(tài)l。因此為在計算模式2期間提供到管線級2中的gshemtj元件10(inv)的充電電流30(1)提供實例電流路徑142。然而，基于管線級3a中的gshemtj元件的整數(shù)值m和n，有可能因管線級2b中的gshemtj元件10(buf)到控制信號φ1的連接而產(chǎn)生潛路徑140(在計算模式2中，在控制狀態(tài)h下)，以致使充電電流30(2)流經(jīng)控制信號φ2(在計算模式2中，在控制狀態(tài)l下)，且不當(dāng)?shù)卦诠芫€級2b中寫入gshemtj元件10(buf)。
現(xiàn)在參考圖15a和15b，圖15a說明管線電路78的一個方面。管線電路78包含管線級1'、管線級2'和管線級3'。管線級1'、2'和3'中的每一者經(jīng)配置以接收控制信號φ1、控制信號φ2和控制信號φ3，以便使管線級3'的預(yù)設(shè)模式和計算模式同步。管線級1'包含上文相對于圖8所述的gshemtj元件10(“與”)的一個方面和gshemtj元件10(“與非”)的一個方面。管線級2'包含上文相對于圖8所述的gshemtj元件10(“與”)的一個方面。管線級2'還包含mtj元件10(“與”)，其也是上文相對于圖8所述的gshemtj元件10(“與”)的方面。管線級3′包含上文相對于圖8所述的gshemtj元件10(“或非”)的一個方面和gshemtj元件10(“與”)的一個方面。
再次參看圖15a和15b，圖15b說明表示控制信號φ1的控制狀態(tài)、控制信號φ2的控制狀態(tài)和控制信號φ3的控制狀態(tài)的時序圖。在預(yù)設(shè)模式1'中，管線級1'中的gshemtj元件10(“與”)和gshemtj元件10(“與非”)預(yù)設(shè)為其默認邏輯值(即，分別為邏輯“1”和邏輯“0”)。接下來，在計算模式1'中，將充電電流20(p)提供到管線級1'中的gshemtj元件10(“與”)和gshemtj元件10(“與非”)。響應(yīng)于充電電流20(p)，管線級1'中的gshemtj元件10(“與”)和gshemtj元件10(“與非”)分別產(chǎn)生gshe自旋電流22(“與”)和gshe自旋電流22(“與非”)。由此，管線級1'中的gshemtj元件10(“與”)和gshemtj元件10(“與非”)各自執(zhí)行其對應(yīng)的邏輯運算。管線級1'具備來自先前管線級(未圖示)的充電電流20(p)。來自先前管線級的位狀態(tài)因此在計算模式1'中讀取，且gshemtj元件10(“與”)和gshemtj元件10(“與非”)執(zhí)行其相應(yīng)的邏輯運算。管線級2'在預(yù)設(shè)模式1'和計算模式1'兩者期間提供隔離。
在預(yù)設(shè)模式2'中，管線級2'中的gshemtj元件10(“與”)和gshemtj元件10(“與”)'預(yù)設(shè)為其默認邏輯值(即，分別為邏輯“1”和邏輯“1”)。接下來，在計算模式2'中，管線級1'中的gshemtj元件10(“與”)和gshemtj元件10(“與非”)所產(chǎn)生的充電電流30(“與”)和30(“與非”)組合成充電電流20(l1)。在計算模式2'期間，將充電電流20(l1)提供到管線級2'中的gshemtj元件10(“與”)和gshemtj元件10(“與”)'。響應(yīng)于充電電流20(l1)，管線級2'中的gshemtj元件10(“與”)和gshemtj元件10(“與”)'分別產(chǎn)生gshe自旋電流22(“與”)和gshe自旋電流22(“與”)'。由此，管線級2'中的gshemtj元件10(“與”)和gshemtj元件10(“與”)'各自執(zhí)行其對應(yīng)的邏輯運算。來自管線級1'的位狀態(tài)因此在計算模式2'中讀取，且管線級2'中的gshemtj元件10(“與”)和gshemtj元件10(“與”)'執(zhí)行其相應(yīng)的邏輯運算。管線級3'在預(yù)設(shè)模式2'和計算模式2'兩者中提供隔離。
在預(yù)設(shè)模式3'中，將管線級3'中的gshemtj元件10(“或非”)和gshemtj元件10(“與”)預(yù)設(shè)為其默認邏輯值(即，分別為邏輯“0”和邏輯“0”)。接下來，在計算模式3'中，分別地，管線級2'中的gshemtj元件10(“與”)產(chǎn)生充電電流30(“與”)，且gshemtj元件10(“與”)產(chǎn)生充電電流30(“與”)。來自管線級2'的充電電流30(“與”)和充電電流30(“與”)'經(jīng)組合以將充電電流20(l2)提供到管線級3'。響應(yīng)于充電電流20(l2)，管線級3'中的gshemtj元件10(“或非”)和gshemtj元件10(“與”)分別產(chǎn)生gshe自旋電流22(“或非”)和gshe自旋電流22(“與”)，以便執(zhí)行其對應(yīng)的邏輯運算。因此讀取來自管線級2'的位狀態(tài)，且管線級3'中的gshemtj元件10(“與”)在計算模式3'期間各自執(zhí)行其相應(yīng)的邏輯運算。管線級1'在預(yù)設(shè)模式3'和計算模式3'兩者中提供隔離。并且，在計算模式1'期間，管線級3'中的gshemtj元件10(“或非”)和gshemtj元件10(“與”)產(chǎn)生充電電流30(“或非”)和30(“與”)。來自管線級3'的充電電流30(“或非”)和30(“與”)組合成來自管線級3'的充電電流20(l3)。由此，在計算模式1'期間讀取來自管線級3'的位狀態(tài)。
同樣，在管線電路78中，對于在計算模式2'期間提供到管線級2'中的gshemtj元件10(“與”)和gshemtj元件10(“與”)'的既定充電電流20(l1)(示出為實例電流路徑152)，非既定潛路徑150可產(chǎn)生以導(dǎo)致向鄰近于且在管線級3'之后的管線級(示出為管線級4'，而無gshemtj元件的特定說明)的無意寫入。
相對于上文的圖12、13、14a和15a論述的以上潛路徑在分別在圖16a和16b中示出的實例電路1600和1650中總計。在圖16a中，示出類似于參考圖14a和15a-b論述的管線電路76和78的管線電路1600。管線電路1600示出四個管線級1到4，其中管線級1具有g(shù)shemtj元件a、b；管線級2具有g(shù)shemtj元件c、d；管線級3具有g(shù)shemtj元件e、f；且管線級2具有g(shù)shemtj元件g、h。同樣，示出實例既定寫入電流路徑162，以將gshemtj元件c和d寫入管線級2中。然而，在一個實例中，如果gshemtj元件c、d、e和f處于低電阻狀態(tài)，而gshemtj元件a和b處于高電阻狀態(tài)(例如基于其相應(yīng)整數(shù)值m、n，以及存儲在其中的預(yù)設(shè)值)，非既定潛路徑可致使管線級4中的gshemtj元件g和h還被寫入。
參看圖16b，說明管線電路1650具有管線級1中的gshemtj元件a和b以及管線級2中的gshemtj元件c和d。潛路徑164說明預(yù)設(shè)電流的反向路徑(例如圖11、12、13的預(yù)設(shè)電流66，圖16a的管線級2的預(yù)設(shè)模式2中產(chǎn)生的預(yù)設(shè)電流)。
圖17說明用于克服例如潛路徑160的潛路徑的常規(guī)嘗試。在圖17的管線電路1700中，例如，將額外或“額外”控制信號1702添加到圖16a的管線電路1600。并非如在管線電路1600中將gshemtj元件h連接到控制信號φ1，gshemtj元件h連接到管線電路1700中的額外控制信號1702。在控制信號φ1被驅(qū)動為高(例如在管線級2期間)的同時，將此額外控制信號1702驅(qū)動為高。另一方面，可在管線級4而不是管線級2期間，將額外控制信號1702驅(qū)動為高。以此方式可避免潛路徑160。然而，管線電路1700至少需要所示出的四個管線級，以分開之間可產(chǎn)生潛在潛路徑的兩個管線級?？紤]gshemtj元件的至少三個裝置閾值電流和兩個裝置電阻狀態(tài)(即，邏輯“1”/高電阻/反平行狀態(tài)或邏輯“0”/平行/低電阻狀態(tài))，這暗示將希望消除其之間的潛路徑的每兩個管線級至少六個控制管線和四個級。因此，管線電路1700需要相當(dāng)大的額外面積和電力，并且還增加了因額外控制管線而招致的復(fù)雜性。此外，舉例來說，管線電路1700無法消除潛路徑，例如與預(yù)設(shè)電流的反向路徑相關(guān)聯(lián)的潛路徑164。
因此，參看圖18，說明根據(jù)本發(fā)明的示范性方面的電路1800。示范性電路1800消除上文所論述的兩種類型的潛路徑(例如潛路徑160和164)，而不招致管線電路1700的增加的復(fù)雜性和懲罰。更具體地說，示出示范性電路1800具有三個實例管線級1到3，各自包括由連接到控制信號w1和w2的gshemtj元件形成的自旋電子邏輯門。管線級1包含gshemtj元件1801、1802和1806；管線級2包含gshemtj元件1803、1804、1807和1808；且管線級3包含gshemtj元件1805和1809。類似于先前實例中所論述的gshemtj元件10，圖18的gshemtj元件可經(jīng)配置以提供不同邏輯功能，但為了簡潔起見，這些將不在本文中更詳細地論述。
為了消除因供應(yīng)到一個管線級中的gshemtj元件的預(yù)設(shè)或計算模式的充電電流不當(dāng)?shù)亓魅氩煌芫€級而導(dǎo)致的潛路徑，在電路1800中引入晶體管1820到1834。更具體地說，晶體管1820和1822可防止歸因于來自管線級1之前的管線級的寫入電流進入管線級1(或超出)而導(dǎo)致的潛路徑。類似地，晶體管1824和1826可防止歸因于既定用于寫入管線級1中的gshemtj元件的寫入電流不當(dāng)?shù)亓魅牍芫€級2(或超出)而導(dǎo)致的潛路徑。以類似方式，晶體管1828和1830防止?jié)撀窂诫娏鲝南惹肮芫€級流入管線級3，且晶體管1832和1834防止?jié)撀窂诫娏髁魅牍芫€級3之后的管線級。晶體管1820到1834可為基于mos的晶體管，且它們可作為開/關(guān)切換器來控制，以啟用或停用通過其的電流的流動。以此方式，管線電路1800消除歸因于寫入電流(例如，預(yù)設(shè)或計算模式充電電流)的潛路徑。
在圖19中，參考電路1900說明本發(fā)明的另一示范性方面。不同于電路1800的晶體管1820到1834，示范性電路1900包含二極管1920到1938。還示出電路1900具有三個實例管線級1到3，其各自包括由連接到控制信號w1和w2的gshemtj元件形成的自旋電子邏輯門。管線級1包含gshemtj元件1901、1902和1906；管線級2包含gshemtj元件1903、1904、1907和1908；且管線級3包含gshemtj元件1905和1909。電路1900包含預(yù)設(shè)線“p”1950，其不是控制線，而是可為用于提供供預(yù)設(shè)電流流動的替代路徑的電線或網(wǎng)。換句話說，不同于控制信號w1和w2(或圖11到17的)控制信號φ1、φ2和φ3(其值需要根據(jù)待寫入的運算和值來控制)，預(yù)設(shè)線p1950是供預(yù)設(shè)電流流動的替代路徑，從而消除了有害反向路徑，例如圖16b中所示的潛路徑164。
更具體地說，二極管1920和1922將輸入線耦合到預(yù)設(shè)線1950，其中二極管1920和1922僅允許電流在一個方向上流動，即從輸入線到預(yù)設(shè)線1950。歸因于二極管的結(jié)構(gòu)而阻止了電流的反向方向，例如其消除了例如潛路徑164的反向路徑。二極管1928和1930類似于二極管1922和1920，其阻止了來自預(yù)設(shè)電流的反向電流供應(yīng)到管線級2。同樣地，二極管1936和1938防止來自當(dāng)前電流的反向電流供應(yīng)到管線級3。
另外，二極管1924和1926例如包含在管線級1與2之間，其還僅準(zhǔn)許電流在既定方向上流動。防止反向方向上的非既定電流路徑，此舉還消除其它類型的潛路徑，例如圖16a的潛路徑160，使其不再產(chǎn)生。類似地，舉例來說，二極管1932和1934包含在管線級2與3之間，此舉也僅準(zhǔn)許電流在既定方向上流動，以防止兩個管線級之間的潛路徑。
現(xiàn)參考圖20a-b，說明使用二極管來防止?jié)撀窂降牧硪皇痉缎苑矫?。更具體地說，在圖20a中，示出電路2000具有兩個實例管線級1和2，各自包括由連接到控制信號w1和w2的gshemtj元件形成的自旋電子邏輯門。類似于電路1900的預(yù)設(shè)線p1950，電路2000還包含預(yù)設(shè)線p2050。為了更好地輔助闡釋圖20a，已使用不同參考標(biāo)號來指代gshe元件及其相應(yīng)充電電流節(jié)點。更具體地說，管線級1的gshemtj元件x的充電電流節(jié)點包含充電電流節(jié)點或端子x1、x2和x3(其中x3為讀取端子)，且類似地，管線級2的gshemtj元件y包含端子y1、y2和y3。在管線級1的計算模式期間，既定電流路徑將從端子x1到端子x2。預(yù)設(shè)電流將在從端子x2到x1的反向方向上。如果預(yù)防性機制未就位，那么當(dāng)前電流可導(dǎo)致潛路徑。使用將輸入端子x1耦合到預(yù)設(shè)線p2050的二極管2020來消除此潛在潛路徑。類似地，管線級2的ghsemtj元件y具有端子y1、y2和y3，其中端子y1通過二極管2024連接到預(yù)設(shè)線p2050，以便消除與從y2到y(tǒng)1的預(yù)設(shè)電流有關(guān)的潛路徑。二極管2022在gshemtj元件x的讀取端子x3與gshemtj元件y的輸入端子y1之間使用。二極管2022阻止供應(yīng)到gshemtj元件x的充電電流的寫入路徑以非既定且非所要方式流動到gshemtj元件y中。
在一些方面，二極管2022還可由晶體管代替，例如圖18的電路1800的晶體管1820到1834。可使用晶體管來代替二極管2022，其中可需要對管線級內(nèi)的運算的特定控制，因為晶體管可選擇性地接通或斷開。另一方面，二極管總是經(jīng)配置以在一個方向上進行，但阻止相反方向上的電流。
圖20b說明電路2000的控制信號w1、w2和預(yù)設(shè)線p2050的真值表。第一行示出管線級1的預(yù)設(shè)模式1，其中寫入控制信號w1提供預(yù)設(shè)電流，且將預(yù)設(shè)線p2050驅(qū)動到0。在預(yù)設(shè)模式1期間，寫入控制信號w2處于高阻抗或浮動級。對于管線級1(第二行)的計算或?qū)懭肽Ｊ?，將寫入控制信號w2驅(qū)動為高，而將寫入控制信號w1驅(qū)動為低。預(yù)設(shè)線p2050在此模式下是浮動的，因為其連接到二極管2020，這并不準(zhǔn)許來自預(yù)設(shè)模式1的預(yù)設(shè)電流流入預(yù)設(shè)線2050中。
可分別在與管線級2的預(yù)設(shè)模式2和寫入模式2有關(guān)的第三和第四行中看到寫入控制信號w1和w2的反向值。更具體地說，如用于管線級2的預(yù)設(shè)模式2的第三行中示出，寫入控制信號w2提供預(yù)設(shè)電流，且將預(yù)設(shè)線p2050驅(qū)動到0。在預(yù)設(shè)模式2期間，控制信號w1處于高阻抗或浮動級。對于管線級2(第四行)的計算或?qū)懭肽Ｊ?，將寫入控制信號w1驅(qū)動為高，而將寫入控制信號w2驅(qū)動為低。預(yù)設(shè)線p2050在此模式中再次浮動，因為在此模式中，二極管2024并不準(zhǔn)許電流流動到預(yù)設(shè)線2050。
圖21a-b說明用于使用自旋電子邏輯電路中的二極管來防止?jié)撀窂降纳鲜龇矫娴膶嵗龖?yīng)用。舉例來說，圖21a示出具有兩個輸入線和一個輸入裝置(例如輸入位b1和b2，類似于圖8的電路60)的加法器2100的實例配置。如此項技術(shù)中已知，加法器用以將三個二進制位(例如第一輸入位a、第二輸入位b和進位入位)相加，以產(chǎn)生兩個輸出位(例如總和位和進位出位)。在使用自旋電子邏輯門的組合邏輯中僅具有兩個輸入線的情況下實施的加法器2100可經(jīng)配置以用于通過如圖21a中示出的二極管的放置來消除潛路徑。在此配置中，可如所示出實施21個二極管來消除潛路徑。
圖21b示出在包括三個管線級1到3的管線化實施方案中使用自旋電子邏輯門的加法器2150的更高效實施方案，所述管線級各自由若干gshemtj元件形成。加法器2150是具有三個輸入位和兩個輸出位的全加法器。如所示出，配置三輸入裝置，而不是加法器2100的兩輸入結(jié)構(gòu)，其中三個輸入位“a”、“b”和“c”在輸入線上被接受，以便產(chǎn)生兩個輸出，“輸出”和“進位”。在示范性方面中，可用避免前述潛路徑的結(jié)構(gòu)中的自旋電子邏輯門來實施加法器2150。與加法器2100的21個二極管相比，加法器2150高效地配置有11個二極管以防止?jié)撀窂健?/p>
圖22a-c說明應(yīng)用于加法器的設(shè)計的示范性方面的進一步細節(jié)。圖22a說明使用1位加法器(例如上文的圖21a-b的加法器2100和2150來實施的n位加法器。邏輯上，所說明的n位加法器類似于用于信號處理應(yīng)用的串流位加法器配置，其中在穿過閂鎖之后，單個位加法器的進位出輸出連接回到其進位入輸入。將簡要地描述常規(guī)串流位加法器，以便闡釋創(chuàng)造性方面。相比于并行加法器，常規(guī)串流位加法器或循序加法器模仿添加兩個多位編號的手寫方法。在硬件或硬件與軟件的組合中實施的常規(guī)串流位加法器中，實施添加兩個n位編號(例如a[n-1:0]和b[n-1:0])的分級或管線化過程。從最低有效位a[0]和b[0]開始，舉例來說，可將兩個位(具有進位入，(如果存在的話)，或“0”進位入)饋送到第一管線級中的加法器。結(jié)果總和[0]和進位出c[0]是在第一級中產(chǎn)生。在下一第二級中，較高階位a[1]和b[1]移位到加法器中，且來自先前第一級的c[0]也饋送到所述加法器中，這產(chǎn)生待用于下一、第三級的總和[1]和進位出c[1]，依此類推。因此，來自前一級的進位出被閂鎖，且用作當(dāng)前級的進位入或第三輸入。當(dāng)以管線化或分級方式執(zhí)行此過程時，可添加兩個編號a[n-1:0]和b[n-1:0]的所有n個位，以產(chǎn)生可用n+1個位表示的輸出。如所看到，串流位加法器需要加法器和閂鎖的實施。
在實施具有由gshemtj元件形成的自旋電子門的串流位加法器的示范性方面中，利用這些門的存儲信息的性質(zhì)。由于示范性自旋電子邏輯門是非易失性的，且它們具有內(nèi)置的自動存儲或自動閂鎖能力，可將示范性串流位加法器配置成無閂鎖。舉例來說，上述全加法器2150可用以實施n位串流加法器以將一或多個位的流相加，而無需用于存儲來自前一級的進位出位以將其添加到當(dāng)前級中的額外存儲電路。通過簡單地將進位出(co)連系到進位入(cin)，單個全加法器2150可經(jīng)配置以循序地相加n個級中的每一者中的3個位，以用于相加兩個編號a[n-1:0]和b[n-1:0]。以此方式，可避免常規(guī)串流位加法器中存儲來自所述前一級的進位出(cout)所需的閂鎖，如圖22b中示出。
圖22c中示出使用常規(guī)邏輯門的圖22b的等效電路。如從圖22c看到，需要32個晶體管來形成使用常規(guī)邏輯門的1位加法器。另一方面，即使實施二極管來避免使用從gshemtj元件(例如加法器2100)實施的自旋電子邏輯的潛路徑，最差情況下也僅需要21個二極管(具有對加法器2150中僅11個二極管的改進)。因此，在1位加法器設(shè)計的這些實例應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)即使添加示范性二極管來消除潛路徑，面積和成本的對應(yīng)增加也并不超過使用常規(guī)邏輯門(例如基于mos的晶體管)來實施對應(yīng)邏輯的成本。
圖23說明可使用本文所述的示范性方面的gshemtj元件10；自旋電子邏輯門60、68、72和74；以及管線電路76、78、80和82的基于處理器的系統(tǒng)84的實例。在此實例中，基于處理器的系統(tǒng)84包括一或多個中央處理單元(cpu)86，其各自包括一或多個處理器88。cpu86可為主裝置90。cpu86可具有耦合到處理器88以用于快速存取臨時存儲數(shù)據(jù)的高速緩沖存儲器92。cpu86耦合到系統(tǒng)總線94，且可將基于處理器的系統(tǒng)84中所包括的主裝置與從屬裝置互相耦合。眾所周知，cpu86通過經(jīng)由系統(tǒng)總線94交換地址、控制和數(shù)據(jù)信息而與這些其它裝置通信。舉例來說，cpu86可將總線事務(wù)請求傳達到存儲器控制器96(作為從屬裝置的實例)。雖然圖18中未說明，但是可提供多個系統(tǒng)總線94，其中每一系統(tǒng)總線94構(gòu)成不同構(gòu)造。
其它主裝置和從屬裝置也可連接到系統(tǒng)總線94。如圖18中所說明，作為實例，這些裝置可包含存儲器系統(tǒng)98、一或多個輸入裝置100、一或多個輸出裝置102、一或多個網(wǎng)絡(luò)接口裝置104和一或多個顯示器控制器106。輸入裝置100可包含任何類型的輸入裝置，包含但不限于輸入按鍵、開關(guān)、話音處理器等。輸出裝置102可包含任何類型的輸出裝置，包含但不限于音頻、視頻、其它視覺指示符等。網(wǎng)絡(luò)接口裝置104可為經(jīng)配置以允許將數(shù)據(jù)交換到網(wǎng)絡(luò)108以及從網(wǎng)絡(luò)108交換數(shù)據(jù)的任何裝置。網(wǎng)絡(luò)108可為任何類型的網(wǎng)絡(luò)，包含但不限于有線或無線網(wǎng)絡(luò)、私用或公共網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)(lan)、廣域網(wǎng)(wlan)和因特網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)接口裝置104可經(jīng)配置以支持所要的任何類型的通信協(xié)議。存儲器系統(tǒng)98可包含一或多個存儲器單元110(0到n)。
cpu86還可經(jīng)配置以經(jīng)由系統(tǒng)總線94存取顯示器控制器106，以控制發(fā)送到一或多個顯示器112的信息。顯示控制器106經(jīng)由一或多個視頻處理器114將信息發(fā)送到顯示器112以進行顯示，所述一或多個視頻處理器將待顯示的信息處理成適合于顯示器112的格式。顯示器112可包含任何類型的顯示器，包含但不限于陰極射線管(crt)、液晶顯示器(lcd)、等離子顯示器等。
還應(yīng)了解，實施例包含用于執(zhí)行本文揭示的進程、函數(shù)和/或算法的各種方法。舉例來說，在圖24中，示范性方面可包含防止自旋電子邏輯電路(例如電路1800/1900)中的潛路徑的方法，所述方法包括：將一或多個潛路徑防止邏輯元件(例如電路1800的晶體管1820到1834/電路1900的二極管1920到1938以及預(yù)設(shè)線p1950)耦合到自旋電子邏輯電路的一或多個巨自旋霍耳效應(yīng)(gshe)磁性隧道結(jié)(mtj)元件(例如電路1800的gshemtj元件1801到1809/電路1900的gshemtj元件1901到1909)，框2402；以及使用潛路徑防止邏輯元件來防止包括自旋電子邏輯電路中的非既定路徑中的充電電流的潛路徑(例如電路1600和1650中所示的160/164)，框2404。
所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，可使用多種不同技術(shù)(technology)和技法(technique)中的任一者來表示信息和信號。舉例來說，可通過電壓、電流、電磁波、磁場或磁粒子、光場或光粒子或其任何組合來表示在整個上文描述中可能參考的數(shù)據(jù)、指令、命令、信息、信號、位、符號和碼片。
此外，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，結(jié)合本文所揭示的實施例而描述的各種說明性邏輯塊、模塊、電路和算法步驟可實施為電子硬件、計算機軟件或兩者的組合。為清晰地說明硬件與軟件的這種可互換性，以上已大體就其功能性來描述了各種說明性組件、塊、模塊、電路和步驟。此功能性是實施為硬件還是軟件取決于特定應(yīng)用以及強加于整個系統(tǒng)的設(shè)計約束。熟練的技術(shù)人員可針對每一特定應(yīng)用以不同方式來實施所描述的功能性，但這樣的實施方案決策不應(yīng)被解釋為會引起脫離本發(fā)明的范圍。
結(jié)合本文所揭示的實施例而描述的方法、序列和/或算法可直接以硬件、以由處理器執(zhí)行的軟件模塊或以兩者的組合體現(xiàn)。軟件模塊可駐留在ram存儲器、快閃存儲器、rom存儲器、eprom存儲器、eeprom存儲器、寄存器、硬盤、可裝卸磁盤、cd-rom，或此項技術(shù)中已知的任何其它形式的存儲媒體中。示范性存儲媒體耦合到處理器，使得處理器可從存儲媒體讀取信息并且將信息寫入到存儲媒體。在替代方案中，存儲媒體可集成到處理器。
因此，本發(fā)明的實施例可包含計算機可讀媒體，其體現(xiàn)用于避免由包括gshemtj元件的自旋電子邏輯門形成的電路中的潛路徑的方法。因此，本發(fā)明不限于所說明的實例，且任何用于執(zhí)行本文中所描述的功能性的裝置包括于本發(fā)明的實施例中。
雖然前面的揭示內(nèi)容示出本發(fā)明的說明性實施例，但應(yīng)注意，在不脫離如所附權(quán)利要求書界定的本發(fā)明的范圍的情況下，可在其中做出各種改變和修改。無需按任何特定次序來執(zhí)行根據(jù)本文中所述的本發(fā)明的實施例的方法權(quán)利要求項的功能、步驟和/或動作。此外，盡管可能以單數(shù)形式描述或主張本發(fā)明的元件，但除非明確陳述限于單數(shù)形式，否則也涵蓋復(fù)數(shù)形式。
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