計算以多磁為基礎的設備及最佳化問題的解決方案的方法
2023-07-18 06:30:26 3
計算以多磁為基礎的設備及最佳化問題的解決方案的方法
【專利摘要】本發明提供一種計算以多磁為基礎的設備及最佳化問題的解決方案的方法。實施例包含第一磁體；第二磁體；以及互連件，介於該第一磁體和該第二磁體之間並互連該第一磁體和該第二磁體，且該互連件組構成允許該第一磁體和該第二磁體經過施加到該第一磁體和該第二磁體及藉由該互連件而導通的電壓或電流而溝通。該計算性多磁體設備的可擴充性提供具有指數性增加的複雜性的算法的解答。
【專利說明】計算以多磁為基礎的設備及最佳化問題的解決方案的方法
【技術領域】
[0001]本揭露涉及用於解決計算性問題的設備。本揭露特別適用於解決最佳化問題。
【背景技術】
[0002]使用於微處理器中的電晶體基礎設備常使用來解決計算性問題。當計算性問題隨著大小和複雜性而變化時，此種設備的可擴充性(scalability)是主要考量。例如，非確定性多項式完整性問題(non-deterministic polynomial complete problems) (NP完整性問題)是非常難以解決的。隨著問題的大小和複雜性的增長，提供解答給涉及到今日的技術涉及到呈指數增長的計算性步驟和執行時間。
[0003]傳統用於提供計算性解答的硬體安排已利用互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術而實行。特別地，CMOS技術是用於構建集成電路，例如採用電晶體的微處理器。CMOS系統只有在速度和高功率要求上作線性的改進。因此，在處理複雜問題時，CMOS系統的線性本質須要數百萬核心伺服器，這導致了高功率的使用。為此，CMOS系統在可擴充性和電源效率上受到嚴重限制。
[0004]一種基於軟體的計算性方法，如仿真退火(SA)的方法，是另一已知以解決複雜的計算性或最佳化問題的途徑。然而，該SA方法，類似其它基於軟體的方法，具有各種在例如將軟體語言轉譯為用在現有技術中基於布爾類型的計算相關聯的低效率。此外，以這些軟體為基礎的方法對於存在的己知硬體(如CMOS技術)來說是有限的。
[0005]一般都知道，使用於微處理器中的以電晶體為基礎的設備擴充性具有許多限制性，比如能耗、關閉狀態漏電、在小型化金屬互連件時的困難等。以類似的方式，一般眾所周知的事為用於提供計算性解答的基於軟體的方法是有限的，起因於該等方法的非效率性及對有其自身局限性的硬體的依賴。
[0006]因此，從而存在對具有可擴充性以提供解答予成級數增加的複雜性的算法，以及對用於實行該硬體架構的方法的需要。
【發明內容】
[0007]本揭露的一種態樣用於解決計算性問題的設備，例如一種具有最終鬆弛狀態的具有多磁體的設備，該最終鬆弛狀態根據施加於磁體的電壓或電流的幅度和極性。
[0008]本揭露的另一種態樣是一種方法，該方法是磁化設備的磁體及將磁體鬆弛至基於施加於磁體的電壓或電流的幅度和極性的狀態。
[0009]本揭露的另一種態樣及其它特徵將闡述於接下來的描述，以及在某種程度上，對在本【技術領域】中具有普通技術的人員來說，在審視說明書下列內容後或可從實踐本揭露中所學習到的，顯而易見的。可了解本揭露的優點，以及得到如所附權利要求中特別指出的。
[0010]根據本揭露，某些技術的效果可藉由包括以下的設備而在某種程度上達到，該設備包括:第一磁體；第二磁體；以及互連件，介於該第一磁體和該第二磁體之間並互連該第一磁體和該第二磁體，且該互連件組構成允許該第一磁體和該第二磁體經過施加到該第一磁體和該第二磁體及藉由該互連件而導通的電壓或電流而溝通。
[0011]在本揭露的態樣中，該第一磁體和該第二磁體是奈米磁體。在進一步的態樣中，該第一磁體和該第二磁體經過自旋極化電流、自旋波、或磁壁而溝通，以及該第一磁體和該第二磁體具有疊加狀態，該疊加狀態藉由磁化該第一磁體和該第二磁體而達到，且該第一磁體和該第二磁體的磁化藉由脈衝媒介而沿該第一磁體和該第二磁體的個別中間軸所施加。在其它態樣中，該脈衝媒介是外部磁場、自旋轉移轉矩效應或磁化的電壓誘發旋轉。其它態樣包含該第一磁體和該第二磁體具有在該第一磁體和該第二磁體磁化後所達到的鬆弛狀態。在進一步的態樣中，該第一磁體和該第二磁體的該鬆弛狀態是以已知機率及基於施加到該第一磁體和該第二磁體的該電壓或該電流的極性和幅度而達到。在其它態樣中，若施加到該第一磁體和該第二磁體的該電壓或該電流具有負極性，則該鬆弛狀態是鐵磁性序化，而若施加到該第一磁體和該第二磁體的該電壓或該電流具有正極性，則該鬆弛狀態是抗鐵磁性序化。在更進一步的態樣中，該第一磁體和該第二磁體之間的溝通是基於施加到該第一磁體和該第二磁體的該電壓或該電流的該極性和該幅度而可調整。
[0012]本揭露的另一個態樣，一種方法，包括:藉由互連件電性耦合第一磁體和第二磁體；施加電壓或電流至該第一磁體和該第二磁體；以及將該互連件組構成允許該第一磁體和該第二磁體溝通以響應該電壓或該電流。
[0013]本揭露的態樣包含，包括沿該第一磁體和該第二磁體的個別中間軸磁化該第一磁體和該第二磁體至疊加狀態，以及鬆弛該第一磁體和該第二磁體至基於施加到該第一磁體和該第二磁體的極性和幅度的狀態。在額外態樣中，藉由使該第一磁體和該第二磁體經受外部磁場、自旋轉移轉矩、或電壓誘發旋轉而磁化該第一磁體和該第二磁體。在進一步的態樣中，該第一磁體和該第二磁體經過藉由施加到該第一磁體和該第二磁體的電壓或電流所產生的自旋極化電流、自旋波、或磁壁而溝通。在其它態樣中，該第一磁體和該第二磁體具有在該第一磁體和該第二磁體磁化後以已知機率所達到的鬆弛狀態。
[0014]本揭露的額外態樣包含施加具有負極性的電壓或電流及鬆弛該第一磁體和該第二磁體至鐵磁性序化。本揭露的又一額外態樣包含施加具有正極性的電壓或電流及鬆弛該第一磁體和該第二磁體至抗鐵磁性序化。
[0015]本揭露的另一個態樣一種方法，包括:以互連件電性稱合每對磁體的方式將多個磁體配置成電路架構組構；針對每對磁體:施加電壓或電流至該兩個磁體；以及沿該兩個磁體的個別中間軸磁化該兩個磁體至疊加狀態。
[0016]對本【技術領域】中熟知技術的人員來說，從接下來的詳細描述將使本揭露的其它態樣及技術效果對該等人員是顯而易見的，其中本揭露的實施例藉由實行最佳模式的說明的方法以完成本揭露而簡化地描述。正如將會了解到的，本揭露能夠具有其它及不同實施例，且該實施例的數種細節能夠具有以各種明顯方面的修改，所有的這些都不脫離本揭露。因此，附圖和描述被認為在本質上是說明性的，而不是限制性的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]本揭露藉由隨附圖式中的圖標舉例(而非限制)的方式來說明，並且其中相同的組件符號表示類似的組件，且其中:
[0018]第IA圖和第IB圖示意性地示出根據示範性實施例中的多磁體設備；[0019]第2A圖和第2B圖示意性地示出根據另一個示範性實施例中的多磁體設備；
[0020]第3A圖至第3D圖示意性地示出根據示範性實施例中的多磁體設備的最終鬆弛狀態組構；以及
[0021]第4A圖至第4C圖示意性地示出根據示範性實施例中的多個多磁體設備的電路架構組構。
[0022]符號說明
[0023]100、100』多磁設備
[0024]101、205、401、405、409 磁體
[0025]103,203,403,407,411 互連件
[0026]105終端
[0027]107,303,307PMA 磁體
[0028]201、301、305平行於平面的磁體
[0029]A方向或軸。
【具體實施方式】
[0030]在以下描述中，為了解釋的目的，提出許多具體的細節以提供示範性實施例的透徹了解。然而，顯然示範性實施例仍可在無具體的細節或在等效的安排下施行。在其它情況下，習知的結構和設備為了避免不必要地模糊示範性實施例而示於方塊圖中。此外，除非另有說明，所有在說明書和權利要求中所表達的數量、比率和成分、反應條件等等的數值特性的數字被理解為在所有的情況下藉由用詞「約」來修飾。
[0031]本揭露滿足及解決用於計算性硬體架構(伴隨著提供對於具有以指數方式增加的複雜性的算法的解決方案)的可擴充性不能勝任的當前問題。根據本發明中的實施例，具有相互作用的奈米磁體的多磁設備組構成用於解決計算性算法，例如，複雜的最佳化問題。多磁設備具有將自然映像提供給感興趣的最佳化問題的特性。磁體能夠達到藉由在磁化階段施加於磁體的電壓和電流的幅度和極性而確定的最終鬆弛狀態(final relaxedstate)。可以已知機率達到最終鬆弛狀態。例如，用於各種組構的磁體的最終鬆弛狀態可預測成某種程度的機率，使得特定事件的百分比可為已知的。在控制最終鬆弛狀態中，磁體之間的互動可調整以提供增加的可擴充性來解決複雜問題。因此，硬體的尺寸和功率效率大大改善了現有的硬體，如電晶體和基於軟體的方法。
[0032]本揭露的實施例包含一種設備，包含:第一磁體；第二磁體；以及互連件，組構成允許第一磁體和第二磁體經過藉由施加到該第一磁體和該第二磁體以及藉由該互連件所導通的電壓或電流而產生的自旋極化電流、自旋波或磁壁(domain wall)而溝通。
[0033]仍有其它態樣、特徵、及技術效果將從下面的詳細描述中而對於本領域技術人員來說是顯而易見的，其中僅藉由所考慮的最佳模式的說明來顯示和描述較佳實施例。本揭露可以其它和不同的實施例，以及其數個細節可以數個明顯態樣來修飾。因此，附圖和描述將視為在本質上是說明性的，而非作為限制性的。
[0034]根據一個本揭露的示例性實施例的多磁設備100描繪在第IA圖和第IB圖。如第IA圖中所描繪的，多磁設備100包含平行於平面(in-plane)的磁體101、互連件103、和終端105。互連件103可電性耦合相鄰對和非相鄰對的磁體101。磁體101可以經過藉由電壓或電流在互連件103中所產生的自旋電流、自旋波或磁壁而相互溝通及互動。磁體101可為奈米磁體和由例如，鎳-鐵(NiFe)或鈷-鐵-硼(CoFeB)所製成。注意第IB圖，根據另一不例性實施例中的一種多磁設備100』，描繪為具有垂直磁性異向性(perpendicularmagnetic anisotropy ；PMA)磁體107、互連件103、和終端105。磁體107可為奈米磁體和由例如，鈷-鐵-硼(CoFeB)、鐵-鉬(FePt)、和鈷-鉻-鉬(CoCrPt)所製成。
[0035]互連件103可為例如由矽(Si)、銅(銅)、鋁(Al)、銀(Ag)、石墨等所製成。當互連件103是由娃或石墨所形成時，穿隧阻障層(tunnel barrier)(未圖標)可被放置在磁體101之間。穿隧阻障層可具有I至20奈米的厚度，且可由氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al2O3)或氧化矽(SiO2)所形成。
[0036]藉由施加電壓或電流於磁體101或磁體107，自旋電流、自旋波、或磁壁可產生於互連件103中且沿互連件103傳導，從而允許磁體101和磁體107溝通及彼此互動。每個磁體101或磁體107可以基於自旋轉移的轉矩效應而分別相等地或非相等地影響另一個磁體101或磁體107。然而，在磁體101和磁體107之間的相互作用不須足夠大以切換另一磁體。如下面所更詳細地討論的,在磁體101和磁體107的磁化後，可達到及藉由在磁體101或磁體107磁化時施加在磁體101或磁體107的電壓或電流的幅度和極性而確定磁體101或磁體107的最終鬆弛狀態。可以已知機率達到磁體101及/或磁體107的最終鬆弛狀態。
[0037]如第IA圖和第IB圖中分別示出的磁體101和磁體107可具有在I和20奈米之間的厚度。此外，每個磁體101和磁體107可具有100平方奈米到100平方微米的表面面積。施加在磁體101或磁體107的電壓範圍可從10毫伏(mV)至2伏(V)。由於磁體的最終鬆弛狀態可藉由施加於磁體101的電流的幅度和極性所確定，故施加於磁體101或磁體107的電流可在5微安培(μ A)至10毫安(mA)的範圍。
[0038]第2Α圖和第2Β圖分別示出設備100和設備100』的示例性實施例,其具有多個磁體和沿磁體可被磁化的方向。注意第2Α圖，設備100包含平行於平面的磁體201和互連件203。磁體201的疊加狀態(superposition state)可藉由脈衝媒介(pulsing agent)而達成。例如，脈衝媒介可包含外部磁場、自旋轉移轉矩效應、經過多鐵磁性材料的磁化或磁化的誘發旋轉應變所由電壓誘發的旋轉。平行於平面的磁體201的磁化對於每個磁體201而言是沿中間方向或軸(如字母A所指者)進行。
[0039]第2B圖描繪具有磁體205和互連件203的設備100』。相似於平行於平面的磁體201，磁體205的疊加狀態可藉由脈衝媒介而達成，該脈衝媒介如外部磁場、自旋轉移轉矩效應、或經過多鐵性(mult1-ferroic)材料的磁化的電壓誘發旋轉或磁化的應變誘發旋轉的。平行於平面的磁體205的磁化對於每個磁體205而言是沿中間方向A進行。
[0040]為了達到磁體201或PMA磁體205的疊加狀態，外部磁場的強度可為10至10，000厄斯特(Oe)。磁體201或PMA磁體205的疊加狀態可藉由具有5微安培至10毫安的電流的自旋轉移轉矩而達到。為了達到磁體201或PMA磁體205的疊加狀態，電壓誘發旋轉可具有5毫伏至10伏的電壓。外部磁場、自旋轉移轉矩、和電壓誘發旋轉皆可具有100皮秒(ps)至10毫秒(ms)的脈衝周期。在藉由任何脈衝方法達到磁體201或PMA磁體205的疊加狀態之後，磁體201或PMA磁體205在10皮秒至10毫秒後鬆弛至確定狀態(determinedstate)。
[0041]在移除脈衝媒介後，磁體201或磁體205的磁化鬆弛至藉由施加於磁體201或磁體205的電壓或電流的極性和幅度而確定的狀態。可達到各種平行於平面或PMA的磁體的鬆弛狀態。可以已知機率達到磁體201及/或磁體205的最終鬆弛狀態。藉由控制施加於磁體201和磁體205的電壓或電流，多磁設備100可調整及縮放至符合欲解決的計算性問題的複雜性。即，磁體201和磁體205之間的相互作用可調整的，以及因此可客制化用於特定的應用和問題。第3A圖至第3D圖顯示各種根據示例性實施例的磁體的最終(鬆弛)狀態。對於負極性，磁體的較佳狀態是鐵磁性組構，其中二個磁體的磁化彼此平行，如指向同一方向的兩個磁體的箭頭(無論實線或虛線)所指者。注意第3A圖，其描繪兩個平行於平面的磁體301的具有鐵磁性序化的平行組構。第3A圖所示之最終狀態藉由負極性電壓(V<0)或藉由如小箭頭所標示的電流方向所達成。第3B圖描繪出兩個PMA磁體303的具有鐵磁性序化的一種平行組構，其再次以指向同一方向的箭頭而標示。描繪於第3B圖中的最終狀態藉由電壓的負極性或如藉由小箭頭所標示的電流方向所達到。
[0042]對於正極性，磁體的較佳狀態是抗鐵磁性組構,其中磁體的磁化彼此非平行的,如同藉由指向相反方向的兩個磁體的箭頭所標示的。注意第3C圖，描繪兩個平行於平面的磁體305所具有的鐵磁性序化的非平行組構。在第3C圖中示出的最終狀態藉由正極性電壓或藉由小箭頭所標示的電流方向所達成。第3D圖描繪出一種非平行組構，其具有兩個PMA磁體307的抗鐵磁性序化。第3D圖中所示的最終狀態藉由電壓的正極性(V>0)或藉由如小箭頭所標示的電流方向所達到。
[0043]所述的平行於平面或PMA磁體可以多種配置形成。第4A圖至第4C圖定出根據示例性實施例的不同類型的磁體配置的三種範例。描繪於第4A圖至第4C圖的配置可為平行於平面或PMA的磁體。注意第4A圖，磁體401和互連件403形成為矩陣架構。第4B圖描繪出磁體405和互連件407配置成交叉架構。第4C圖標出磁體409和互連件411配置成三角架構。
[0044]雖然已針對解決複雜的最佳化問題描述多磁設備100和100』，但本揭露亦應用於加強或取代基於電晶體設備的設備，且可用於解決任何程度的複雜性的計算問題。設備100和100』的本質傾向和特性允許設備100和100』比例如基於電晶體設備的傳統設備更快、更有效地解決計算的問題。設備100和100』可用於補充傳統設備或可用於全面替代傳統設備。
[0045]本揭露的實施例可達到包含可擴充性以提供具有指數性增加的複雜性的算法的解答的數種技術效果。本揭露享有解決如非確定性多項式完整性問題的複雜最佳化問題的工業應用性。
[0046]在前面的描述中，本揭露參考具體示例性實施例而加以描述。然而，很明顯地，可在不脫離如權利要求所闡述的本揭露的更廣泛精神和範圍而作出各種修飾和改變。因此，說明書和附圖被認為是說明性而非限制性的。可了解的是本揭露能夠用於各種其它組合和實施例，以及在本文中所表達的本發明概念的範圍內作任何改變或修飾。
【權利要求】
1.一種設備，包括: 第一磁體； 第二磁體；以及 互連件，介於該第一磁體和該第二磁體之間並互連該第一磁體和該第二磁體，該互連件組構成允許該第一磁體和該第二磁體經過施加到該第一磁體和該第二磁體的電壓或電流及藉由該互連件的導通而溝通。
2.根據權利要求1所述的設備，其中，該第一磁體和該第二磁體是奈米磁體。
3.根據權利要求2所述的設備,其中，該第一磁體和該第二磁體具有藉由磁化該第一磁體和該第二磁體而達到的疊加狀態，以及其中該第一磁體和該第二磁體的磁化藉由脈衝媒介而沿該第一磁體和該第二磁體的個別中間軸而施加。
4.根據權利要求3所述的設備，其中，該第一磁體和該第二磁體經過自旋極化電流、自旋波、或磁壁而溝通，且該脈衝媒介是外部磁場、自旋轉移轉矩效應或磁化的電壓誘發旋轉。
5.根據權利要求3所述的設備,其中，該第一磁體和該第二磁體具有可在該第一磁體和該第二磁體磁化後達到的鬆弛狀態。
6.根據權利要求5所述的設備，其中，該第一磁體和該第二磁體的該鬆弛狀態以已知機率及基於施加到該第一磁體和該第二磁體的該電壓或該電流的極性和幅度而達到。
7.根據權利要求5所述的設備，其中，若施加到該第一磁體和該第二磁體的該電壓或該電流具有負極性，則該鬆弛狀態是鐵磁性序化，以及若施加到該第一磁體和該第二磁體的該電壓或該電流具有正極性，則該鬆弛狀態是抗鐵磁性序化。
8.根據權利要求1所述的設備，其中，該第一磁體和該第二磁體之間的溝通是基於施加到該第一磁體和該第二磁體的該電壓或該電流的該極性和該幅度而可調整。
9.一種方法，包括: 藉由互連件電性耦合第一磁體和第二磁體； 施加電壓或電流至該第一磁體和該第二磁體；以及 將該互連件組構成允許該第一磁體和該第二磁體溝通，以響應該電壓或該電流。
10.根據權利要求9所述的方法，進一步包括沿該第一磁體和該第二磁體的個別中間軸磁化該第一磁體和該第二磁體至疊加狀態，以及鬆弛該第一磁體和該第二磁體至基於施加到該第一磁體和該第二磁體的極性和幅度的狀態。
11.根據權利要求10所述的方法，包括藉由使該第一磁體和該第二磁體經受外部磁場、自旋轉移轉矩、或電壓誘發旋轉而磁化該第一磁體和該第二磁體。
12.根據權利要求10所述的方法，其中，該第一磁體和該第二磁體經過藉由施加到該第一磁體和該第二磁體的該電壓或該電流所產生的自旋極化電流、自旋波、或磁壁而溝通。
13.根據權利要求10所述的方法,其中，該第一磁體和該第二磁體具有在該第一磁體和該第二磁體磁化後以已知機率達到的鬆弛狀態。
14.根據權利要求10所述的方法，包括施加具有負極性的電壓或電流及鬆弛該第一磁體和該第二磁體至鐵磁性序化。
15.根據權利要求10所述的方法，包括施加具有正極性的電壓或電流及鬆弛該第一磁體和該第二磁體至抗鐵磁性序化。
16.—種方法,包括: 以互連件電性耦合每對磁體的方式將多個磁體配置成電路架構組構； 針對每對磁體: 施加電壓或電流至該兩個磁體；以及 沿該兩個磁體的個別中間軸磁化該兩個磁體至疊加狀態。
17.根據權利要求16所述的方法，包括藉由施加外部磁場、自旋轉移轉矩效應、或電壓誘發磁化旋轉以磁化每對磁體。
18.根據權利要求16所述的方法，進一步包括基於施加於該每對磁體的該電壓或該電流的極性和幅度而鬆弛該每對磁體至最終狀態，且用於至少一對磁體的該最終狀態是以已知機率而達到。
19.根據權利要求18所述的方法，包括藉由施加具有負極性的電壓或電流而鬆弛該每對磁體至鐵磁性序化的最終狀態。
20.根據權利要求18所述的方法，包括藉由施加具有正極性的電壓或電流而鬆弛每對磁體至抗鐵磁性序化的最終狀·態。
【文檔編號】G06F17/50GK103593497SQ201310351404
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年8月13日 優先權日:2012年8月13日
【發明者】本塔旭·本漢艾影 申請人:格羅方德半導體公司