Magnetisation switching dynamics induced by combination of spin transfer torque and spin orbit torque

We present a theoretical investigation of the magnetisation reversal process in CoFeB-based magnetic tunnel junctions (MTJs). We perform atomistic spin simulations of magnetisation dynamics induced by combination of spin orbit torque (SOT) and spin transfer torque (STT). Within the model the effect of SOT is introduced as a Slonczewski formalism, whereas the effect of STT is included via a spin accumulation model. We investigate a system of CoFeB/MgO/CoFeB coupled with a heavy metal layer where the charge current is injected into the plane of the heavy metal meanwhile the other charge current flows perpendicular into the MTJ structure. Our results reveal that SOT can assist the precessional switching induced by spin polarised current within a certain range of injected current densities yielding an efficient and fast reversal on the sub-nanosecond timescale. The combination of STT and SOT gives a promising pathway to improve high performance CoFeB-based devices with high speed and low power consumption

Magnetic and Spin Devices

As the scaling of electronic semiconductor devices displays signs of saturation, the main focus of research in microelectronics is shifting towards finding new computing paradigms. Electron spin offers additional functionality to digital charge-based devices. Several fundamental problems, including spin injection to a semiconductor, spin propagation and relaxation, and spin manipulation by the gate voltage, have been successfully resolved to open a path towards spin-based reprogrammable electron switches. Devices employing electron spin are nonvolatile; they are able to preserve the stored information without external power. Emerging nonvolatile devices are electrically addressable, possess a simple structure, and offer endurance and speed superior to flash memory. Having nonvolatile memory very close to CMOS offers a prospect of data processing in the nonvolatile segment, where the same devices are used to store and process the information. This opens perspectives for conceptually new low-power computing paradigms within Artificial Intelligence of Things (AIoT). This Special Issue focuses on all topics related to spintronic devices such as spin-based switches, magnetoresistive memories, energy harvesting devices, and sensors that can be employed in in-memory computing concepts and in Artificial Intelligence

DEMANDS FOR SPIN-BASED NONVOLATILITY IN EMERGING DIGITAL LOGIC AND MEMORY DEVICES FOR LOW POWER COMPUTING

Miniaturization of semiconductor devices is the main driving force to achieve an outstanding performance of modern integrated circuits. As the industry is focusing on the development of the 3nm technology node, it is apparent that transistor scaling shows signs of saturation. At the same time, the critically high power consumption becomes incompatible with the global demands of sustaining and accelerating the vital industrial growth, prompting an introduction of new solutions for energy efficient computations.Probably the only radically new option to reduce power consumption in novel integrated circuits is to introduce nonvolatility. The data retention without power sources eliminates the leakages and refresh cycles. As the necessity to waste time on initializing the data in temporarily unused parts of the circuit is not needed, nonvolatility also supports an instant-on computing paradigm.The electron spin adds additional functionality to digital switches based on field effect transistors. SpinFETs and SpinMOSFETs are promising devices, with the nonvolatility introduced through relative magnetization orientation between the ferromagnetic source and drain. A successful demonstration of such devices requires resolving several fundamental problems including spin injection from metal ferromagnets to a semiconductor, spin propagation and relaxation, as well as spin manipulation by the gate voltage. However, increasing the spin injection efficiency to boost the magnetoresistance ratio as well as an efficient spin control represent the challenges to be resolved before these devices appear on the market. Magnetic tunnel junctions with large magnetoresistance ratio are perfectly suited as key elements of nonvolatile CMOS-compatible magnetoresistive embedded memory. Purely electrically manipulated spin-transfer torque and spin-orbit torque magnetoresistive memories are superior compared to flash and will potentially compete with DRAM and SRAM. All major foundries announced a near-future production of such memories.Two-terminal magnetic tunnel junctions possess a simple structure, long retention time, high endurance, fast operation speed, and they yield a high integration density. Combining nonvolatile elements with CMOS devices allows for efficient power gating. Shifting data processing capabilities into the nonvolatile segment paves the way for a new low power and high-performance computing paradigm based on an in-memory computing architecture, where the same nonvolatile elements are used to store and to process the information

Reliable Low-Power High Performance Spintronic Memories

Moores Gesetz folgend, ist es der Chipindustrie in den letzten fünf Jahrzehnten gelungen, ein explosionsartiges Wachstum zu erreichen. Dies hatte ebenso einen exponentiellen Anstieg der Nachfrage von Speicherkomponenten zur Folge, was wiederum zu speicherlastigen Chips in den heutigen Computersystemen führt. Allerdings stellen traditionelle on-Chip Speichertech- nologien wie Static Random Access Memories (SRAMs), Dynamic Random Access Memories (DRAMs) und Flip-Flops eine Herausforderung in Bezug auf Skalierbarkeit, Verlustleistung und Zuverlässigkeit dar. Eben jene Herausforderungen und die überwältigende Nachfrage nach höherer Performanz und Integrationsdichte des on-Chip Speichers motivieren Forscher, nach neuen nichtflüchtigen Speichertechnologien zu suchen. Aufkommende spintronische Spe- ichertechnologien wie Spin Orbit Torque (SOT) und Spin Transfer Torque (STT) erhielten in den letzten Jahren eine hohe Aufmerksamkeit, da sie eine Reihe an Vorteilen bieten. Dazu gehören Nichtflüchtigkeit, Skalierbarkeit, hohe Beständigkeit, CMOS Kompatibilität und Unan- fälligkeit gegenüber Soft-Errors. In der Spintronik repräsentiert der Spin eines Elektrons dessen Information. Das Datum wird durch die Höhe des Widerstandes gespeichert, welche sich durch das Anlegen eines polarisierten Stroms an das Speichermedium verändern lässt. Das Prob- lem der statischen Leistung gehen die Speichergeräte sowohl durch deren verlustleistungsfreie Eigenschaft, als auch durch ihr Standard- Aus/Sofort-Ein Verhalten an. Nichtsdestotrotz sind noch andere Probleme, wie die hohe Zugriffslatenz und die Energieaufnahme zu lösen, bevor sie eine verbreitete Anwendung finden können. Um diesen Problemen gerecht zu werden, sind neue Computerparadigmen, -architekturen und -entwurfsphilosophien notwendig. Die hohe Zugriffslatenz der Spintroniktechnologie ist auf eine vergleichsweise lange Schalt- dauer zurückzuführen, welche die von konventionellem SRAM übersteigt. Des Weiteren ist auf Grund des stochastischen Schaltvorgangs der Speicherzelle und des Einflusses der Prozessvari- ation ein nicht zu vernachlässigender Zeitraum dafür erforderlich. In diesem Zeitraum wird ein konstanter Schreibstrom durch die Bitzelle geleitet, um den Schaltvorgang zu gewährleisten. Dieser Vorgang verursacht eine hohe Energieaufnahme. Für die Leseoperation wird gleicher- maßen ein beachtliches Zeitfenster benötigt, ebenfalls bedingt durch den Einfluss der Prozess- variation. Dem gegenüber stehen diverse Zuverlässigkeitsprobleme. Dazu gehören unter An- derem die Leseintereferenz und andere Degenerationspobleme, wie das des Time Dependent Di- electric Breakdowns (TDDB). Diese Zuverlässigkeitsprobleme sind wiederum auf die benötigten längeren Schaltzeiten zurückzuführen, welche in der Folge auch einen über längere Zeit an- liegenden Lese- bzw. Schreibstrom implizieren. Es ist daher notwendig, sowohl die Energie, als auch die Latenz zur Steigerung der Zuverlässigkeit zu reduzieren, um daraus einen potenziellen Kandidaten für ein on-Chip Speichersystem zu machen. In dieser Dissertation werden wir Entwurfsstrategien vorstellen, welche das Ziel verfolgen, die Herausforderungen des Cache-, Register- und Flip-Flop-Entwurfs anzugehen. Dies erre- ichen wir unter Zuhilfenahme eines Cross-Layer Ansatzes. Für Caches entwickelten wir ver- schiedene Ansätze auf Schaltkreisebene, welche sowohl auf der Speicherarchitekturebene, als auch auf der Systemebene in Bezug auf Energieaufnahme, Performanzsteigerung und Zuver- lässigkeitverbesserung evaluiert werden. Wir entwickeln eine Selbstabschalttechnik, sowohl für die Lese-, als auch die Schreiboperation von Caches. Diese ist in der Lage, den Abschluss der entsprechenden Operation dynamisch zu ermitteln. Nachdem der Abschluss erkannt wurde, wird die Lese- bzw. Schreiboperation sofort gestoppt, um Energie zu sparen. Zusätzlich limitiert die Selbstabschalttechnik die Dauer des Stromflusses durch die Speicherzelle, was wiederum das Auftreten von TDDB und Leseinterferenz bei Schreib- bzw. Leseoperationen re- duziert. Zur Verbesserung der Schreiblatenz heben wir den Schreibstrom an der Bitzelle an, um den magnetischen Schaltprozess zu beschleunigen. Um registerbankspezifische Anforderungen zu berücksichtigen, haben wir zusätzlich eine Multiport-Speicherarchitektur entworfen, welche eine einzigartige Eigenschaft der SOT-Zelle ausnutzt, um simultan Lese- und Schreiboperatio- nen auszuführen. Es ist daher möglich Lese/Schreib- Konfilkte auf Bitzellen-Ebene zu lösen, was sich wiederum in einer sehr viel einfacheren Multiport- Registerbankarchitektur nieder- schlägt. Zusätzlich zu den Speicheransätzen haben wir ebenfalls zwei Flip-Flop-Architekturen vorgestellt. Die erste ist eine nichtflüchtige non-Shadow Flip-Flop-Architektur, welche die Speicherzelle als aktive Komponente nutzt. Dies ermöglicht das sofortige An- und Ausschalten der Versorgungss- pannung und ist daher besonders gut für aggressives Powergating geeignet. Alles in Allem zeigt der vorgestellte Flip-Flop-Entwurf eine ähnliche Timing-Charakteristik wie die konventioneller CMOS Flip-Flops auf. Jedoch erlaubt er zur selben Zeit eine signifikante Reduktion der statis- chen Leistungsaufnahme im Vergleich zu nichtflüchtigen Shadow- Flip-Flops. Die zweite ist eine fehlertolerante Flip-Flop-Architektur, welche sich unanfällig gegenüber diversen Defekten und Fehlern verhält. Die Leistungsfähigkeit aller vorgestellten Techniken wird durch ausführliche Simulationen auf Schaltkreisebene verdeutlicht, welche weiter durch detaillierte Evaluationen auf Systemebene untermauert werden. Im Allgemeinen konnten wir verschiedene Techniken en- twickeln, die erhebliche Verbesserungen in Bezug auf Performanz, Energie und Zuverlässigkeit von spintronischen on-Chip Speichern, wie Caches, Register und Flip-Flops erreichen

Stochastic Memory Devices for Security and Computing

With the widespread use of mobile computing and internet of things, secured communication and chip authentication have become extremely important. Hardware-based security concepts generally provide the best performance in terms of a good standard of security, low power consumption, and large-area density. In these concepts, the stochastic properties of nanoscale devices, such as the physical and geometrical variations of the process, are harnessed for true random number generators (TRNGs) and physical unclonable functions (PUFs). Emerging memory devices, such as resistive-switching memory (RRAM), phase-change memory (PCM), and spin-transfer torque magnetic memory (STT-MRAM), rely on a unique combination of physical mechanisms for transport and switching, thus appear to be an ideal source of entropy for TRNGs and PUFs. An overview of stochastic phenomena in memory devices and their use for developing security and computing primitives is provided. First, a broad classification of methods to generate true random numbers via the stochastic properties of nanoscale devices is presented. Then, practical implementations of stochastic TRNGs, such as hardware security and stochastic computing, are shown. Finally, future challenges to stochastic memory development are discussed