近期，微電子所集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心羅軍研究員課題組與中科院半導(dǎo)體所王開(kāi)友研究員課題組合作研制出全線性的電流誘導(dǎo)多態(tài)自旋軌道耦合（SOT）磁性存儲(chǔ)器件，并實(shí)現(xiàn)了低能耗、可編輯的突觸功能，對(duì)基于SOT-MRAM的低功耗存算一體邏輯和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算提供了一種新方法。 

　　存算一體及人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片采用非馮諾依曼架構(gòu)，可極大降低數(shù)據(jù)的訪問(wèn)和傳輸能耗，提升計(jì)算速度。SOT-MRAM以其高速、高耐久度等優(yōu)點(diǎn)，在此類(lèi)應(yīng)用中將發(fā)揮較大的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前，存算一體和人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片領(lǐng)域亟需一種全線性的多態(tài)存儲(chǔ)器件（圖1b），以便廣泛應(yīng)用在人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元、突觸、存內(nèi)計(jì)算等方面。但現(xiàn)有的SOT多態(tài)磁性存儲(chǔ)器件及其他類(lèi)型的存儲(chǔ)器件大都是非全線性的（圖1a），其輸入-輸出曲線的部分區(qū)域?yàn)榫€性，其他部分為非線性區(qū)，要使器件工作在線性區(qū)需要額外的時(shí)間、能耗和電路開(kāi)銷(xiāo)，不利于其在高速、低功耗和高集成密度存算一體及人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片方面的應(yīng)用。 

　　為解決上述問(wèn)題，進(jìn)而獲得全線性的多態(tài)磁性存儲(chǔ)器件，團(tuán)隊(duì)在理論上模擬調(diào)節(jié)磁性材料中的“DMI效應(yīng)”和“交換耦合效應(yīng)”的比例，發(fā)現(xiàn)可將非全線性的磁化翻轉(zhuǎn)曲線調(diào)控成全線性的磁化翻轉(zhuǎn)曲線（圖1c，d）。該理論預(yù)測(cè)的結(jié)果獲得了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新采用離子注入工藝，成功調(diào)節(jié)了普通磁性材料中“DMI效應(yīng)”和“交換耦合效應(yīng)”的比例，實(shí)現(xiàn)了SOT磁性存儲(chǔ)器件的全線性磁化翻轉(zhuǎn)（圖2a）。同時(shí)，通過(guò)局域的離子注入，展示了無(wú)外場(chǎng)的線性多態(tài)存儲(chǔ)和突觸功能。該突觸可在同一超低電流脈沖下實(shí)現(xiàn)興奮和抑制功能，并具備可編譯特性。 

      基于本研究成果的論文“All-linear multistate magnetic switching induced by electrical current”發(fā)表在著名物理學(xué)期刊《應(yīng)用物理評(píng)論》（Physical Review Applied，DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.054013）。微電子所楊美音副研究員和博士研究生李彥如為共同第一作者，微電子所先導(dǎo)中心羅軍研究員和半導(dǎo)體所王開(kāi)友研究員為該文的通訊作者。合作者包括北京航空航天大學(xué)的張學(xué)瑩、李紹新。該工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中科院有關(guān)項(xiàng)目的支持。 

　　論文鏈接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.15.054013 

圖1、（a）目前的多態(tài)存儲(chǔ)器件，（b）理想的全線性存儲(chǔ)器件，（c）目前電流磁化翻轉(zhuǎn)曲線，（d）通過(guò)調(diào)節(jié)DMI和交換耦合實(shí)現(xiàn)的線性磁化翻轉(zhuǎn)曲線。 

圖2、（a）離子注入引起的全線性磁化翻轉(zhuǎn)，（b）局域離子注入注入實(shí)現(xiàn)的可編譯的突觸功能。