磁性量子元胞自动机逻辑电路的转换特性研究_杨晓阔.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vol．60，No．9(2011)098503*磁性量子元胞自动机逻辑电路的转换特性研究1)1)2)3)1)1)1)杨晓阔蔡理康强柏鹏赵晓辉冯朝文张立森1)(空军工程大学理学院，西安710051)2)(空军工程大学科研部，西安710051)3)(空军工程大学综合电子信息系统研究中心，西安710051)(2010年9月27日收到;2010年12月26日收到修改稿)本文研究了磁性量子元胞自动机反相器和择多逻辑门等基本逻辑电路在不同纳磁体厚度和间距下的转换特性．采用单畴近似LLG方程对纳磁体以及电路

2、进行了建模和仿真，结果表明更厚的纳磁体需要更大的转换磁脉冲，大厚度纳磁体逻辑电路表现出较慢的转换;相同厚度和间距下，择多逻辑门比反相器的转换时间略长．此外，模拟结果还表明纳磁体间距对反相器的转换过程影响明显，而对择多逻辑门则影响较小．关键词:磁性量子元胞自动机，转换特性，厚度和间距，逻辑电路PACS:85.70.－w，85.70.Ay8［7］换10次，其功率消耗仅为0.1W．1.引言目前，MQCA的理论和实验研究已取得了一定进展．理论上，一些研究组对短长度纳磁体互连线互补金属氧化物半导体器件特征尺寸缩小面的转换特性进行了研究，得

3、出运动磁脉冲和折断边［1］［10，11］临的一个关键问题就是功耗，为此研究者已提出界条件有助于互连线中信号的正确传递．文献了许多新兴的低功耗纳电子器件作为其替代者．在［12］利用纳磁体成功构建了简单的逻辑电路，但其这些器件中，量子元胞自动机(quantum-dotcellular未考虑磁场时钟的作用．文献［13］研究了纳磁体的automata，QCA)［2，3］以其独特的设计理念和潜在的不平整边缘等缺陷对互连线的影响．实验方面，Imre等利用镍铁磁材料制造出了MQCA互连线、反相器优势得到了广泛的关注．例如，电性QCA(elec

4、tronic［8］和择多逻辑门．文献［14］的实验展示了片上时钟QCA)利用量子点中电子的库仑作用来存储和传递场下纳磁体逻辑器件的转换特性，这些结果均大大信息，而不需要进行电荷输运，且拥有小尺寸和高［4—6］推动了MQCA的发展．然而作为一种新兴的纳电子工作频率等优点，从而具有实用价值．然而，实器件，MQCA的转换机理和逻辑电路仍然有待进一验结果表明几十纳米尺寸范围的电性QCA受到了步的研究，尤其是已有文献大多只研究MQCA互连［3］低温工作条件的制约．要解决这个问题，一是进线和反相器的转换特性，很少考虑择多逻辑门电［4］一步缩

5、小元胞尺寸朝着分子级方向发展;二是路，同时对变化的纳磁体厚度和间距如何影响电路采用不同的物理实现方式．因而研究者提出了一的输出和转换时间也缺乏研究，本文就是进行这方种不同于电性QCA的物理结构———磁性量子元面的工作．文中以Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方胞自动机(magneticquantumcellularautomata，程为基础对电路中纳磁体建模，并对MQCA反相器［7，8］MQCA)．实际上，磁性结构器件的磁化现象已和择多逻辑门电路在变化纳磁体厚度和间距下的［9］得到研究者的重视．这里的MQC

6、A是采用拉长形输出磁化行为进行了仿真，以得出这些因素如何影状的单畴各向异性纳磁体来实现，通过纳磁体的磁响电路的输出和逻辑信号传递，并对不同情形下的化方向来存储二元信息．MQCA可直接在室温下工结果进行了分析．所得结论对于MQCA在逻辑电路10作，且其功耗极低．研究表明如果10个磁体每秒转设计和数字系统的应用上具有重要的指导意义．*国家高技术研究发展计划(批准号:2008AAJ225)和陕西省电子信息系统综合集成重点实验室基金(批准号:201115Y15)资助的课题．通讯联系人．E-mail:qianglicai@163.com

7、2011中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb．iphy．ac．cn098503-1物理学报ActaPhys．Sin．Vol．60，No．9(2011)098503(j)纳磁体序号．设纳磁体j的体积为V，在计算出两2．MQCA物理结构和理论模型个纳磁体之间的距离向量dij后，则Cij为(j)VTC=(3(d)·d－dI)．(3)ij5ijijij在MQCA中，拉长的单畴纳磁体(单畴指纳磁4π(dij)体内磁化是相同的)由于其形状各向异性可实现双通常情况下，简洁的LLG方程形式和归一化

8、的［7，8］稳态，从而能够用于构建基本的逻辑器件．基本向量有助于多个纳磁体阵列的仿真和分析．为便于的MQCA结构如图1所示．对于一个长方体形状的后续的仿真，本文对该方程做如下简化处理．设归纳磁体，它的双稳态源于其指向长轴的剩余磁化一化向量m=M/Ms，heff=