Micromagnetic modeling and demonstration of wide bandwidth and ultralow power skyrmion-based spintronic devices and circuits
Geniş bantlı ve ultradüşük güç tüketen skyrmion temelli spintronik aygıt ve devrelerin mikromanyetik modellenmesi ve ispatlanması
- Tez No: 835313
- Danışmanlar: Assist. Prof. Dr. MEHMET CENGİZ ONBAŞLI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 175
Özet
Mikroelektronik aygıt ölçeklendirme iki ana sorunla karşı karşıyadır: bellek darboğazı ve güç tüketimi. Bu sorunları gidermek amacıyla, bilgiyi spinlere kodlayan bellek içi hesaplama önerildi. Spinlerin kullanılması, bilgiyi depolayan mantık uygulaması ve veri işlemeye izin verir. Nano ölçekli, topolojik olarak korunan, kiral ve yüzey spin yapıları olan Skyrmion'lar bu işlevler için kullanılabilir. Skyrmion'lar, yük veya spin akımlarıyla çalıştırılabilir ve dış manyetik alan gürültülerine ve termal gürültüye karşı kararlıdır. Skyrmion'ları stabilize eden manyetik filmler kullanılarak, geleneksel mikroelektroniğe göre güç tüketimi on binlerce kata kadar azaltılabilir. Skyrmion başlatma, algılama ve manipülasyona ilişkin deneysel çalışmalar ve teorik araştırmalardaki ilerlemeye rağmen, skyrmion'ları gelecek vaat eden dijital mantık uygulamaları için kullanmak bugüne kadar gösterilememiştir. Skyrmion mantık işlemeye dayalı yeni cihaz tasarımları ve bunların cihaz fiziğinin araştırılması gereklidir. Bu tezde, bir skyrmion saat üreteci ve çoğaltıcı, bağlantı ve saptırıcı gibi temel bağlantı bloklarını içeren kapsamlı bir skyrmion mantık devresi sistemi tasarladık. Daha sonra AND, OR, inverter, NAND, NOR, XOR ve XNOR kapılarının tüm mantık devreleri tasarlanmış ve hesaplamalı mikromanyetik ile işlevsellikleri doğrulanmıştır. Her bir blok; enerji tüketimleri, Joule ısınması, gecikme, bant genişliği, basamaklandırılabilirlik, termal gürültüye ve harici manyetik alanlara karşı kararlılık ve ayrıca işlevsel hassasiyetleri geometrik (yan duvar pürüzlülüğü, çentik boyutu, kanal genişliği), malzeme (Gilbert sönümleme, spin transfer torklarının adyabatiksizliği) ve sıcaklık değişkenlikleri açısından kapsamlı incelenmiştir. Tümleşik ultra geniş bant spintronik devreler için, skyrmion'ların yük akımları ile üretilmesi ve ilerletilebilmesi gerekir. Spin-polarize doğru akım kullanarak 114 MHz'den 21 GHz'e kadar periyodik skyrmion'lar oluşturmak için bir skyrmion başlatma ve kontrollü üretim aygıtı sunuyoruz. Mikromanyetik simülasyonlarda, skyrmion üretim frekanslarının, DC akım yoğunluğunu değiştirerek yedi oktavdan fazla frekans üzerinden tersinir olarak kontrol edilebileceğini gösteriyoruz. Böylece kalıcı ve akımla çalışan bir dijital kaynak hazırlanmıştır. İnvertör, spin polarize akım darbeleriyle sürülebilir, geniş bant, düşük enerji tüketimi (oda sıcaklığında ~1350 kBT/bit), az yer kaplama (~300 nm), dış manyetik alanlara ihtiyaç duymaması, basamaklandırılabilirlik ve alttaşın termal iletimi sayesinde oda sıcaklığında termal kararlılık gösterilmiştir. Joule ısıtmasını ortadan kaldırmak için manyetik yalıtkanların kullanılması, güç tüketiminin 1000 ila 10000 kat daha azaltılabileceğine dair ipuçları verir. Bu analizler, invertör bloğunun, yüklenme veya termal sürüklenme etkileri olmaksızın daha büyük dijital spintronik devrelerde kullanılabileceğini göstermektedir. Dijital bir toplayıcı devresi için bir bit dilim devresi sunulmaktadır. Bu devre prensipte daha fazla sayıda bit için ölçeklendirilebilir. Bu skyrmion mantık devresi tasarımları, elektronik tasarım otomasyon iş akışlarına entegre edilebileceğinden, skyrmion sinyallerinin döşemeli bir geometri ile emülasyonu için yeni bir protokol tasarlanmıştır. Çalışma, mikromanyetik modellemenin farklı öğelerini, otomatik simülasyon komut dosyası geliştirme için bir Python paketini ve bir blok kümeleri kitaplığını içeren kapsamlı bir emülatör, simülasyon yazılımı ve emülatörün kullanıcı dostu web tabanlı bir sürümü geliştirilmiş ve sunulmuştur. Bu çalışmada elde edilen bulgular, skyrmionların bellek içi hesaplama için yeni bir ultra düşük güç ve ultra geniş bantlı dijital skyrmion uygulamalarının önünü açan bir dönüm noktasına ulaştığını göstermektedir.
Özet (Çeviri)
The scaling of microelectronics faces two major issues: memory bottleneck and power consumption. These issues prompted the proposal of in-memory computation that encodes information in spins. Using spins allows for nonvolatile logic and data manipulation functionalities. Skyrmions, which are nanoscale, topologically protected, chiral and surface spin textures, could be used for these functions. Skyrmions can be driven by charge or spin currents and have stability against stray magnetic fields and thermal noise. Using magnetic films that stabilize skyrmions might reduce the power consumption with respect to conventional microelectronics by several orders of magnitude. Despite the progress in experimental demonstrations and theoretical studies on skyrmion initialization, detection, and manipulation, using skyrmions for their promising digital logic applications has remained elusive. A set of new device designs based on skyrmion logic processing, and the investigation of their device physics is necessary. In this thesis, we designed a comprehensive skyrmion logic gate system, which includes a skyrmion clock generator and the essential connecting blocks including the duplicator, junction, and deflector. Then, all the logic gates AND, OR, inverter, NAND, NOR, XOR, and XNOR gates have been designed and their functionalities have been verified using computational micromagnetics. Each block has been investigated thoroughly in terms of their energy consumptions, Joule heating, temporal delay and transient response, bandwidth, cascadability, stability against thermal noise and external magnetic fields as well as functional sensitivity with respect to the geometric (sidewall roughness, notch size/feature, channel width), material (Gilbert damping, non-adiabaticity of spin transfer torques) and temperature variations. Skyrmions need to be generated and propagated using charge currents for integrated ultra-wideband spintronics. We introduce a device design for initialization and generation of periodic skyrmions from 114 MHz to 21 GHz using spin-polarized direct current. We demonstrate in micromagnetic simulations that skyrmion generation frequencies can be controlled reversibly over more than seven octaves of frequencies by changing DC current density. Thus, a non-volatile current-driven digital clock source has been established. The inverter can be driven with spin polarized current pulses, operate with wide bandwidth, low energy consumption (~1350 kBT/bit at room temperature), small footprint (~300 nm), no or very limited need for external magnetic fields, cascadability and room temperature thermal stability owing to substrate's thermal conduction. Using magnetic insulators to eliminate Joule heating hints that the power consumption could be even further reduced by 3-4 orders of magnitude. These analyses suggest that the inverter block could be cascaded and operated as part of digital spintronic circuits without loading or thermal drift effects. We presented a bit-slice circuit for a digital skyrmion full adder. This circuit could in principle be scaled to larger numbers of bits. As the skyrmion logic circuit designs might be integrated to electronic design automation workflows, a new protocol for the emulation of skyrmion signals with a tiled geometry is devised. The study presents a new comprehensive emulation and simulation software, featuring different elements of micromagnetic modeling, a Python package for automated simulation script development, and a library of block sets. A user-friendly web-based version of the emulator has been developed. The findings presented in this study suggest that skyrmionics has reached a milestone enabling a new area of ultralow power and ultra-wideband digital skyrmionics for in-memory computation.
Benzer Tezler
- Developing variation aware simulation tools, models, and designs for STT-RAM
Başlık çevirisi yok
ENES EKEN
- Macrospin model of magnetization dynamics governed by Landau-Lifshitz-Bloch equation of motion
Landau-Lifshitz-Bloch hareket denklemi ile yönlendiridilen manyetizasyon dinamiğinin makrospin modellenmesi
UFUK KILIC
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Fizik ve Fizik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. ÖZHAN ÖZATAY
- Development of tools and Ti/Pt/Co reference samples for transfer function based quantitative stray field measurements
Transfer fonksiyonu tabanli kantitatif manyetik alan ölçümleri için araçlarin ve Ti/Pt/Co referans örneklerinin geliştirilmesi
BAHA SAKAR
Doktora
İngilizce
2021
Fizik ve Fizik MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN ÖZTÜRK
- Chiral and linear spin structures in 2D nanostructured magnonics
2B nanoyapılı magnonik devrelerde kiral ve doğrusal spin yapıları
RAVANA YAĞAN
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MEHMET CENGİZ ONBAŞLI
- Current-driven generation and stabilization of magnetic skyrmions
Manyetik skyrmionların akım-sürümlü üretimi ve stabilizasyonu
CANER DEĞER
Doktora
İngilizce
2019
Fizik ve Fizik MühendisliğiMarmara ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İLHAN YAVUZ
DOÇ. DR. FİKRET YILDIZ