数位运算组件、数位计算器及电子设备

技术领域

本申请涉及数位运算技术领域，特别是涉及一种数位运算组件、数位计算器及电子设备。

背景技术

加法器和减法器是算数逻辑单元的重要组成部分，被广泛应用于各种电子设备中，给人们的生产和生活带来了极大的便利。然而，传统的加法器和减法器一般基于二极管和晶体管进行制备的，需要由多个与门、或门、非门及异或门级联构成，多位的加法器或者减法器则需要由多个全加电路单元构成。该种形式的加法器和减法器电路结构复杂、功耗高、并且具有较高的延迟。

发明内容

基于此，有必要针对传统的加法器和减法器电路结构复杂、功耗与延迟高的问题，提供一种新型的非易失的数位运算组件、数位计算器及电子设备。

一种数位运算组件，包括：金属层；反铁磁层，覆盖设置于所述金属层的表面，具有用于承载第一双半子团簇的第一区域；用于承载第二双半子团簇的第二区域；当所述金属层中与所述第一区域对应的部分以及所述金属层中与所述第二区域对应的部分同时输入电压驱动时，所述第一双半子团簇和所述第二双半子团簇进行合并或湮灭的第三区域；以及用于读取所述第三区域合并或湮灭后形成的新双半子团簇的聚合度的第四区域。

在一个实施例中，所述金属层的厚度为0.5纳米至20纳米。

在一个实施例中，所述金属层为钽、钨、铂、金、银、铼、铱、铌、钼、钌、铑、钯、钛、钒、铬、铅、铋、铜和铪中的至少一种。

在一个实施例中，所述反铁磁层为具备面内磁化易轴或者以薄膜平面作为磁化易面类型的反铁磁层。

在一个实施例中，所述反铁磁层的厚度为0.5纳米至5纳米。

在一个实施例中，所述反铁磁层为锰基合金层、过渡金属氧化物层或者多晶钙钛矿薄膜层。

在一个实施例中，所述反铁磁层的材料为IrMn、PtMn、NiMn、NiO、CoO、Cr

在一个实施例中，所述数位运算组件的形状呈T型。

一种数位计算器，包括输出器以及上述的数位运算组件，所述输出器连接所述数位运算组件的第四区域。

一种电子设备，包括上述的数位运算组件。

上述数位运算组件、数位计算器及电子设备，采用存在于面内磁化材料体系中的聚合的磁结构(也即双半子团簇)作为多位数据信息载体实现信息计算，在反铁磁层的第一区域存放第一双半子团簇，第二区域存放第二双半子团簇，当同时向第一区域和第二区域对应的金属层施加电压时，将会使得第一双半子团簇以及第二双半子团簇向反铁磁层第三区域运动，并在第三区域发生合并或湮灭，形成新双半子团簇并被驱动至第四区域，在第四区域进行新双半子团簇的聚合度读取。利用第一双半子团簇与第二双半子团簇的合并来模拟实现数据的加法运算，第一双半子团簇与第二双半子团簇的湮灭则可模拟实现数据的减法运算，最终形成的新双半子团簇的聚合度即表征加法运算或者减法运算的运算结果。通过上述方案，采用双半子团簇作为多位数据信息载体实现信息计算，器件尺寸在微米量级，该数位运算组件结构简单、功耗低、延迟低，同时，还能够有效提升运算逻辑单元密度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一实施例中数位运算组件结构示意图；

图2为一实施例中双半子团簇示意图；

图3为一实施例中双半子团簇合并示意图；

图4为一实施例中双半子团簇湮灭示意图；

图5为一实施例中数位运算组件俯视结构示意图；

图6为一实施例中数位运算组件加法运算示意图；

图7为一实施例中数位运算组件减法运算示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。

请参阅图1，一种数位运算组件，包括：金属层10；反铁磁层20，覆盖设置于金属层10的表面，具有用于承载第一双半子团簇的第一区域；用于承载第二双半子团簇的第二区域；当金属层10中与第一区域对应的部分以及金属层10中与第二区域对应的部分同时输入电压驱动时，第一双半子团簇和第二双半子团簇进行合并或湮灭的第三区域；以及用于读取第三区域合并或湮灭后形成的新双半子团簇的聚合度的第四区域。

具体地，随着科学技术的发展，磁性斯格明子(magnetic skyrmion)得到了较为广泛的研究。这一类自旋结构能够稳定存在于具有垂直各向异性及Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用的磁性材料体系中，其尺寸在纳米到微米量级，并且能够通过电流、电场、微波等多种激励机制进行有效操控，因而是理想的信息载体。

磁性双半子(magnetic bimeron)是一类存在于面内磁化材料体系中的磁性准粒子。该类结构与磁性斯格明子是拓扑对等的，然而却表现出与磁性斯格明子截然不同的静力学及动力学特性。双半子及其团簇能够稳定存在于具有界面DM相互作用及面内磁各向异性的磁性薄膜中，该类磁性准粒子能够通过自旋流进行有效操控。然而区别于磁性斯格明子，其动力学特性，譬如速度、形变等，对自旋流极化方向体现出较强的依赖性。不仅如此，磁性双半子孤子之间存在吸引作用，并能够自发的形成具有聚合度的双半子团簇。基于上述特点，反铁磁双半子可作为信息载体统一多位数据的创建、传输、存储和计算，为自旋电子器件提供全新的设计思路和途径，并在物理层面实现多位数据的存储及基本逻辑处理。

请结合参阅图2，图中展示了聚合度为+1的双半子孤子所形成的聚合度从+2到+6的双半子团簇结构图。相同的双半子孤子之间存在相互吸引作用力，它们可以在垂直于易磁化轴的方向键合，从而形成不同聚合度的双半子团簇。与双半子孤子相似，双半子团簇也可以通过电流来驱动。随着双半子团簇聚合度的增加，由面内极化电流驱动的双半子团簇的运动速度也会增加，而由面外极化电流驱动的双半子团簇的运动速度会减小。

当向金属层10施加电压时，电流流经金属层10，由自旋-轨道耦合导致的自旋霍尔效应，使得具有同向自旋的电子在反铁磁层20与金属之间的界面累积，并沿垂直方向形成自旋极化电流，从而驱动反铁磁层20中的双半子团簇开始运动。

电流驱动反铁磁层20中的双半子团簇的合并与湮灭过程，类似于简单的加减法运算。请结合参阅图3，对于双半子团簇的合并过程，聚合度为+1的双半子孤子和聚合度为+3的双半子团簇在电流驱动下运动，最终孤子和双半子团簇会合并成聚合度为+4的新双半子团簇，新形成的双半子团簇的聚合度是原聚合度之和。请结合参阅图4，对于双半子团簇的湮灭过程，聚合度为-1的孤子和聚合度为+2的双半子团簇在极化电流的驱动下相向而行，最终只剩下聚合度为+1的孤子，聚合度是原孤子和双半子团簇的聚合度之差。

聚合度同号的双半子团簇在电流驱动下会合并成新双半子团簇，聚合度为原聚合度之和；而聚合度异号的双半子团簇之间会发生湮灭，最终聚合度为原聚合度之差。利用电流驱动双半子团簇合并或湮灭能够对双半子团簇的聚合度进行调控，这一特性使得双半子团簇成为理想的多位数据信息载体。

应当指出的是，反铁磁层20为双半子团簇的载体，反铁磁层20的第一区域的第一双半子团簇以及第二区域的第二双半子团簇的获取方式并不是唯一的，在一个实施例中，可以是由外部设备中生成所需聚合度的双半子团簇之后，在需要进行数位运算时通过外部设备分别输送至反铁磁层20的第一区域以及第二区域，之后只需同时向第一区域对应位置的金属层10以及第二区域对应位置的金属层10施加电压，即可驱动第一双半子团簇以及第二双半子团簇运动至第三区域进行合并或湮灭，实现加减运算。

在另一个实施例中，还可以是在反铁磁层20直接生成第一双半子团簇以及第二双半子团簇。此时只需要向反铁磁层20的第一区域或者第二区域局部注入垂直极化的电流，使磁矩发生反转，最终形成聚合度为+1的双半子孤子。而当需要得到聚合度大于+1的双半子团簇时，则只需要在相应区域产生至少两个聚合度为+1的双半子孤子，之后在该区域施加电压使得双半子孤子之间相互吸引合并成聚合度为大于+1的双半子团簇，即在输入部位就进行了双半子团簇的合并或湮灭。

当第一区域的第一双半子团簇与第二区域的第二双半子团簇在电流的驱动下，运动到第三区域完成合并或湮灭之后，所形成的新双半子团簇在电流的驱动下继续运动，最终运动至反铁磁层20的第四区域，利用平面霍尔效应导致的各向异性磁阻可将第四区域中双半子团簇的聚合度读出，即表示得到的运算结果。

相比于利用高低电平作为信息载体的数据处理单元，上述方案利用磁性双半子团簇作为多位信息载体，单比特信息元尺寸在10nm量级，能够有效降低数据处理单元面积。并且，相比于利用铁磁材料薄膜，上述利用反铁磁材料作为双半子团簇媒体，能够有效提升团簇的迁移效率，从而降低器件功耗。

应当指出的是，金属层10的厚度并不是唯一的，在一个实施例中，金属层10的厚度为0.5纳米至20纳米。

具体地，在数位运算组件中，金属层10为自旋霍尔通道，当电流流经金属层10时，由自旋-轨道耦合导致的自旋霍尔效应，使得具有同向自旋的电子在在反铁磁层20与金属层10之间的界面累积，并沿垂直方向形成自旋极化电流，从而驱动反铁磁层20中的双半子团簇运动。金属层10的厚度并不是唯一的，只要能够保证实现第一双半子团簇以及第二双半子团簇的驱动均可，本实施例将金属层10厚度设置为0.5纳米至20纳米，也即可以是0.5纳米、20纳米以及0.5纳米-20纳米之间的任意厚度。

同样的，金属层10的具体所采用的金属类型也并不是唯一的，在一个实施中，金属层10为重金属层。

具体地，本实施例采用重金属层作为自旋霍尔通道，其自旋霍尔角θ

进一步地，在一个实施例中，金属层10为钽、钨、铂、金、银、铼、铱、铌、钼、钌、铑、钯、钛、钒、铬、铅、铋、铜和铪中的至少一种。

具体地，金属层10可以是单一金属构成的薄层，还可以是两种或两种以上金属形成的合金层，从而调制电流的极化方向与极化强度，以便在施加电压时实现双半子团簇的驱动操作。金属层10具体形式不是唯一的，可以是钽、钨、铂、金、银、铼、铱、铌、钼、钌、铑、钯、钛、钒、铬、铅、铋、铜和铪中的其中一种金属形成的金属层，或者是钽、钨、铂、金、银、铼、铱、铌、钼、钌、铑、钯、钛、钒、铬、铅、铋、铜和铪中的至少一种与其它金属所形成的合金层，甚至是钽、钨、铂、金、银、铼、铱、铌、钼、钌、铑、钯、钛、钒、铬、铅、铋、铜和铪中的至少两种所形成的合金层等，只要能够保证施加电压时实现双半子团簇的驱动操作均可。

在一个实施例中，反铁磁层20为具备面内磁化易轴或者以薄膜平面作为磁化易面类型的反铁磁层20。

具体地，在该实施例中，为了保证反铁磁层20可以形成双半子团簇，则保证反铁磁层20需具备面内的磁化易轴，或者以薄膜平面作为磁化易面。可以理解，在其它实施例中，当双半子团簇通过外部设备输入时，反铁磁层20还可以是其它类型，只要能承载双半子团簇均可。

在一个实施例中，反铁磁层20的厚度为0.5纳米至5纳米。

具体地，为了形成双半子团簇，反铁磁层20需具备面内的易磁化轴，或者以薄膜平面作为磁化易面。反铁磁层20的厚度并不是唯一的，本实施例将反铁磁层20的厚度设置为0.5纳米至5纳米，也即可以是0.5纳米、5纳米以及0.5纳米-5纳米之间的任意厚度。

在一个实施例中，反铁磁层20为锰基合金层、过渡金属氧化物层或者多晶钙钛矿薄膜层。

具体地，锰基合金层即为由锰金属和其它金属组成的合金所形成的薄膜层，如IrMn、PtMn、NiMn，过渡金属氧化物层即为过渡金属的氧化物所形成的薄膜层，如NiO、CoO、Cr

应当指出的是，在一个实施例中，为了形成磁性双半子团簇，反铁磁层20与金属层10的界面需要形成足够强度的DM(Dzyaloshinskii-Moriya)交换作用，即DM交换作用系数D>0.1mJ/m2。

在一个实施例中，数位运算组件的形状呈T型。

具体地，请结合参阅图5，该数位运算组件进行数据的加法/减法运算时，在输入端(也即第一区域21和第二区域22)施加电压，读取端(也即第四区域24)接地。在自旋轨道作用下，输入区的双半子团簇沿电流方向，向运算区(也即第三区域23)移动。

数据的加法/减法通过双半子团簇的合并/湮灭实现，最终形成的新的双半子团簇将继续在电流作用下向读取区移动。最终利用平面霍尔效应导致的各向异性磁阻可将读取区双半子团簇的聚合度读出，进而实现数据加法/减法运算。

为了便于理解本申请的方案，下面结合具体实施例对本申请的方案进行解释说明。

请结合参阅图6以及图7，箭头方向相同代表双半子的聚合度同号，方向相反代表聚合度异号。图6可实现加法器功能，聚合度为+1的双半子和聚合度为+2的双半子簇在电流驱动下相向而行，在“T”字型轨道交接处合并成聚合度为+3的双半子簇，沿竖向轨道运动到轨道末端被读取，实现计算“1+2＝3”。图7可实现减法器功能，聚合度为+1的双半子和聚合度为-2的双半子簇在电流驱动下相向运动，在“T”字型轨道交接处湮灭成聚合度为-1的双半子，沿竖向轨道运动到轨道末端被读取，实现计算“1-2＝-1”。

上述数位运算组件，采用存在于面内磁化材料体系中的聚合的磁结构(也即双半子团簇)作为多位数据信息载体实现信息计算，在反铁磁层的第一区域存放第一双半子团簇，第二区域存放第二双半子团簇，当同时向第一区域和第二区域对应的金属层施加电压时，将会使得第一双半子团簇以及第二双半子团簇向反铁磁层第三区域运动，并在第三区域发生合并或湮灭，形成新双半子团簇并被驱动至第四区域，在第四区域进行新双半子团簇的聚合度读取。利用第一双半子团簇与第二双半子团簇的合并来模拟实现数据的加法运算，第一双半子团簇与第二双半子团簇的湮灭则可模拟实现数据的减法运算，最终形成的新双半子团簇的拓扑数即表征加法运算或者减法运算的运算结果。通过上述方案，采用双半子团簇作为多位数据信息载体实现信息计算，器件尺寸在微米量级，该数位运算组件结构简单、功耗低、延迟低，同时，还能够有效提升运算逻辑单元密度。

一种数位计算器，包括输出器以及上述的数位运算组件，输出器连接数位运算组件的第四区域。

具体地，数位运算组件的具体结构如上述各个实施例以及附图所示，当向金属层10施加电压时，电流流经金属层10，由自旋-轨道耦合导致的自旋霍尔效应，使得具有同向自旋的电子在反铁磁层20与金属之间的交界面累积，并沿垂直方向形成自旋极化电流，从而驱动反铁磁层20中的双半子团簇开始运动。

电流驱动反铁磁层20中的双半子团簇的合并与湮灭过程，类似于简单的加减法运算。对于双半子团簇的合并过程，聚合度为+1的双半子孤子和聚合度为+3的双半子团簇在电流驱动下运动，最终孤子和双半子团簇会合并成聚合度为+4的新双半子团簇，新形成的双半子团簇的聚合度是原聚合度之和。对于双半子团簇的湮灭过程，聚合度为-1的孤子和聚合度为+2的双半子团簇在极化电流的驱动下相向而行，最终只剩下聚合度为+1的孤子，聚合度是原孤子和双半子团簇的聚合度之差。

聚合度同号的双半子团簇在电流驱动下会合并成新双半子团簇，聚合度为原聚合度之和；而聚合度异号的双半子团簇之间会发生湮灭，最终聚合度为原聚合度之差。通过电流驱动双半子团簇合并或湮灭能够对双半子团簇的聚合度进行调控，这一特性使得双半子团簇成为理想的多位数据信息载体实现信息计算。

当第一区域的第一双半子团簇与第二区域的第二双半子团簇在电流的驱动下，运动到第三区域完成合并或湮灭之后，所形成的新双半子团簇在电流的驱动下继续运动，最终运动至反铁磁层20的第四区域，输出器利用平面霍尔效应导致的各向异性磁阻可将第四区域中双半子团簇的聚合度读出，即表示得到的运算结果。

上述数位计算器，数位运算组件采用存在于面内磁化材料体系中的聚合的磁结构(也即双半子团簇)作为多位数据信息载体实现信息计算，在反铁磁层的第一区域存放第一双半子团簇，第二区域存放第二双半子团簇，当同时向第一区域和第二区域对应的金属层施加电压时，将会使得第一双半子团簇以及第二双半子团簇向反铁磁层第三区域运动，并在第三区域发生合并或湮灭，形成新双半子团簇并被驱动至第四区域，在第四区域进行新双半子团簇的聚合度读取。利用第一双半子团簇与第二双半子团簇的合并来模拟实现数据的加法运算，第一双半子团簇与第二双半子团簇的湮灭则可模拟实现数据的减法运算，最终形成的新双半子团簇的聚合度即表征加法运算或者减法运算的运算结果。通过上述方案，采用双半子团簇作为多位数据信息载体实现信息计算，器件尺寸在微米量级，该数位计算器结构简单、功耗低、延迟低，同时，还能够有效提升运算逻辑单元密度。

一种电子设备，包括上述的数位运算组件。

具体地，数位运算组件的具体结构如上述各个实施例以及附图所示，当向金属层10施加电压时，电流流经金属层10，由自旋-轨道耦合导致的自旋霍尔效应，使得具有同向自旋的电子在反铁磁层20与金属之间的交界面累积，并沿垂直方向形成自旋极化电流，从而驱动反铁磁层20中的双半子团簇开始运动。

电流驱动反铁磁层20中的双半子团簇的合并与湮灭过程，类似于简单的加减法运算。对于双半子团簇的合并过程，聚合度为+1的双半子孤子和聚合度为+3的双半子团簇在电流驱动下运动，最终孤子和双半子团簇会合并成聚合度为+4的新双半子团簇，新形成的双半子团簇的聚合度是原聚合度之和。对于双半子团簇的湮灭过程，聚合度为-1的孤子和聚合度为+2的双半子团簇在极化电流的驱动下相向而行，最终只剩下聚合度为+1的孤子，聚合度是原孤子和双半子团簇的聚合度之差。

聚合度同号的双半子团簇在电流驱动下会合并成新双半子团簇，聚合度为原聚合度之和；而聚合度异号的双半子团簇之间会发生湮灭，最终聚合度为原聚合度之差。通过电流驱动双半子团簇合并或湮灭能够对双半子团簇的聚合度进行调控，这一特性使得双半子团簇成为理想的多位数据信息载体实现信息计算。

当第一区域的第一双半子团簇与第二区域的第二双半子团簇在电流的驱动下，运动到第三区域完成合并或湮灭之后，所形成的新双半子团簇在电流的驱动下继续运动，最终运动至反铁磁层20的第四区域，利用平面霍尔效应导致的各向异性磁阻可将第四区域中双半子团簇的聚合度读出，即表示得到的运算结果。

上述电子设备，数位运算组件采用存在于面内磁化材料体系中的聚合的磁结构(也即双半子团簇)作为多位数据信息载体实现信息计算，在反铁磁层的第一区域存放第一双半子团簇，第二区域存放第二双半子团簇，当同时向第一区域和第二区域对应的金属层施加电压时，将会使得第一双半子团簇以及第二双半子团簇向反铁磁层第三区域运动，并在第三区域发生合并或湮灭，形成新双半子团簇并被驱动至第四区域，在第四区域进行新双半子团簇的聚合度读取。利用第一双半子团簇与第二双半子团簇的合并来模拟实现数据的加法运算，第一双半子团簇与第二双半子团簇的湮灭则可模拟实现数据的减法运算，最终形成的新双半子团簇的聚合度即表征加法运算或者减法运算的运算结果。通过上述方案，采用双半子团簇作为多位数据信息载体实现信息计算，器件尺寸在微米量级，使得数位运算组件的结构简单、功耗低、延迟低，同时，还能够有效提升运算逻辑单元密度，进而有效提高电子设备的工作可靠性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。