[发明专利]一种用于超导计算机的磁性随机存储器

说明书

本发明公开了一种适用于超导计算机的存储器存储位元设计方案，所述存储位元基于磁电阻自旋阀元件。所述存储位元在磁电阻自旋阀结构的基础上增设磁性辅助层，形成正交自旋阀结构，有助于在低温环境下实现写操作。上述设计方案包括磁矩平行于面内的磁性记忆层、磁性参考层，磁矩垂直于面内的磁性辅助层，以及插入其间的非磁性金属辅助层。存储位元利用记忆层的二元磁矩取向实现记录0、1数据信息，利用磁矩取向不同时存储位元的磁电阻效应实现对所存数据的读取。

技术领域

本发明涉及低温超导计算机的存储器芯片设计，特别涉及一种适于低温下工作，具有低功耗、高速性能的存储器位元设计方案。

背景技术

随着材料科学、纳米科学的不断进步,一种新型高性能存储器——磁性随机存储器(MRAM，Magnetic Random Access Memory)正在吸引人们的目光。它拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读取写入能力，以及动态随机存储器(DRAM)的高集成度，而且几乎可以无限次地重复写入。这种高速内存已经被业界看作是下一代通用性存储的主要候选之一。该类型的磁性存储器利用磁介质的磁矩方向来记录信息，而磁矩和磁矩的指向并不需要外加电压来维持(相较于SRAM和DRAM断电后存储数据完全丢失)。这种非挥发性的优点使得磁性存储器在待机状态下功耗几乎为零，极大的提升了存储器芯片的运行能效。

与此同时，伴随着存储器能效的不断提高，信息产业也在不断探索更高能效的逻辑计算电路，其中一种基于约瑟夫森结的超导电路取得了较大的进展。例如高能效的单磁通量子(eSFQ和ERSFQ)逻辑电路可以实现超快信号传输并能大幅度的降低能耗。一种高性能超导计算机的构架方案就是结合超导逻辑电路和磁性存储器的设计，因此需要一种可与超导逻辑器件相兼容的低温磁性随机存储器设计(low temperature MRAM)。这就要求存储期间达到如下几个主要指标：1.能够在超导电路运行的温度区间(<10K)工作。2.超导逻辑电路具有很低的阻抗，因此存储器也需要有较低的阻抗(1-50Ω)。3.和超导逻辑电路相匹配的高速(<1ns)数据传输和低能耗(单次操作能耗低于1fJ)。

现有的磁性随机存储器的关键记忆单元是磁性隧道结(MTJ，Magnetic TunnelingJunction)。磁性隧道结是由绝缘体和磁性材料构成的三明治结构，中间的绝缘层将两层铁磁金属层隔开来，由于有一层隧穿势垒(绝缘层)因此阻抗较高(500-1000Ω)。传统的MTJ磁性存储器设计通常针对室温温区进行优化，并且自旋扭矩效应在初始阶段(～1-5ns)依赖于热激发效应，是一种热辅助翻转过程。热辅助翻转的物理过程在低温下大大受限，尤其在10K以下的温度区将导致存储器的写入数据速度下降以及写入数据的错误率和能耗大大增加。这样一来信号传输速度(10-50ns)和单次操作能耗(>100fJ)就无法达到超导逻辑电路的要求。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种适用于超导计算机的磁性随机存储器，解决传统磁性随机存储器无法与超导逻辑电路兼容的问题。

发明内容

针对现有技术的存储器难以和超导逻辑电路相互兼容的问题，本发明公开了一种用于超导计算机的磁性随机存储器，包括存储位元阵列和超导电路，所述存储位元阵列与所述超导电路电连接，所述存储位元阵列包括若干个存储位元，至少一部分所述存储位元为适于在10K以下环境温度工作的自旋阀元件。

进一步地，所述超导电路包括若干个基于约瑟夫森结的单磁通量子逻辑器件。

进一步地，所述存储位元与所述超导电路间采用金属铌实现互联。

进一步地，所述自旋阀元件包括依次相邻的：

第一磁性层；

第一非磁性层；

记忆层；

第二非磁性层；

参考层；