Non-Volatile Magnetic Flip Flop

The physical limits of CMOS scaling and the prohibitively high costs of future technology nodes, allows to foresee the end of further progress of CMOS technology in the near future and emphasizes the dire need to explore alternative technologies and computational principles. Spin as an alternative degree of freedom for computation and information storage attracts much attention due to its nonvolatility, high endurance, fast operation, and CMOS compatibility. Even though first promising results are available, these CMOS/Spintronic hybrid solutions are only competitive in comparison to conventional CMOS technology with respect to power consumption and speed – up to now - they are not able to compete in integration density. Due to the need of continuous conversion between the CMOS and the spintronic signal domain additional transistors are required, which rather leads to an integration density decrease than a densification of the circuit layout. This inspired us to avoid the signal conversion and carry out the complete device operation in the magnetic domain. The resulting non-volatile magnetic flip flop facilitates the spin transfer torque effect and magnetic exchange coupling for computation and thus enables an extremely dense layout. Instead of eight (non-clocked), twelve (clocked) or seven CMOS transistors and two magnetic tunnel junctions (CMOS/Spintronic hybrid) for a RS flip flop a footprint of only 10nmx40nm is sufficient. Furthermore, it can be stacked to a shift register which as well features a very small footprint. The device and its viability has been studied via extensive micromagnetic simulations. For the next step towards market prototypes need to be manufactured and the device performance as well as the corresponding simulation tools need to be further developed. The results of NOVOFLOP will be essential to create a package comprising prototypes, TCAD models, and a manufacturing process for presenting our device to companies and venture capitalists.

Die physikalischen Grenzen der CMOS Skalierung und die immens hohen Investitionskosten zukünftiger Technologiegenerationen ermöglichen die Voraussicht des Endes weiteren Fortschritts der CMOS Technologie in naher Zukunft. Dies unterstreicht die Dringlichkeit der Erforschung alternativer Technologien und Rechenprinzipien. Spin als ein alternativer Freiheitsgrad für Berechnungen und Informationsspeicherung zieht durch seine Nichtflüchtigkeit, hohe Lebensdauer, schnelle Operation und CMOS Kompatibilität viel Aufmerksamkeit auf sich. Obwohl erste vielversprechende Ergebnisse bereits verfügbar sind, sind diese CMOS/Spintronik Hybrid-Lösungen nur konkurrenzfähig im Vergleich zu konventioneller CMOS Technologie in Bezug auf Energieverbrauch und Geschwindigkeit - bis jetzt - sind diese aber nicht konkurrenzfähig in der Integrationsdichte. Durch die Notwendigkeit der kontinuierlichen Konversion zwischen der CMOS und der Spintronik-Signal-Domäne werden zusätzliche Transistoren benötigt, welche eher zu einer Integrationsdichtenverringerung als zu einer Verdichtung des Schaltungslayouts führt. Dies hat uns zur Vermeidung der Signalkonversion und der vollständigen Bauteiloperation in der magnetischen Domäne inspiriert. Das resultierende nichtflüchtige magnetische Flip-Flop macht sich den Spin-Transfer-Drehmoment-Effekt und die magnetische Austauschwechselwirkung für die Berechnung zunutze und ermöglicht damit ein extrem dichtes Layout. Statt acht (ohne Taktung), zwölf (mit Taktung) oder sieben CMOS Transistoren und zwei magnetische Tunnelkontakte (CMOS/Spintronik Hybrid) für ein RS-Flip-Flop ist ein Fußabdruck von nur 10nmx40nm ausreichend. Des Weiteren kann es zu einem Schieberegister gestapelt werden, welches erneut einen sehr kleinen Fußabdruck aufweist. Das Bauteil und seine Machbarkeit wurde mittels umfangreicher mikromagnetischer Simulationen untersucht. Für die nächsten Schritte Richtung Vermarktung müssen Prototypen gefertigt und die Bauteilperformance als auch die zugehörigen Simulationswerkzeuge weiterentwickelt werden. Die Ergebnisse von NOVOFLOP werden essentiell sein, um ein Paket umfassend Prototypen, TCAD Modelle und einen Herstellungsprozess zu erstellen, um unser Bauteil Firmen und Risikokapitalgebern zu präsentieren.