一种概率计算器件及随机数据生成方法

1.本发明实施例涉及概率计算领域，涉及一种概率计算器件及随机数据写入方法。


背景技术：

2.随着集成电路产业的高速发展，需要解决的问题逐渐复杂，概率计算在人工智能、大数据、物联网领域应用越来越广泛。现阶段常用量子计算系统进行概率计算，但量子计算系统的基础单元量子比特的状态很难维持，且对工作环境要求较高，很难实现大规模集成。
3.磁隧道结(mtj，magnetic tunnel junction)具有响应速度高、低功耗、耐用性长、等优良特性而作为磁性随机存储器(mram，magnetic random access memory)的基础单元并广泛应用。将其应用在概率计算可有效解决概率计算中的速度和可靠性问题。然而，在对mtj实际应用中发现，mtj概率器件在使用过程会伴随自旋转移矩电流的穿过，随着计算速率和计算量的提升，mtj两端的mtj概率器件中的势垒层在使用过程中会逐渐老化，最终影响器件的使用寿命。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种概率计算器件及随机数据生成方法，以改善mtj本身在应对高计算量使用过程中两端的mtj概率器件中的势垒层在使用过程中会逐渐老化，最终影响器件的使用寿命。
5.为了解决上述问题，本发明的第一方面提出了一种概率计算器件，
6.所述概率计算器件包括：底端电极、磁隧道结、顶端电极以及至少一个磁性功能层，
7.所述磁隧道结设置于所述底端电极之上，
8.所述磁性功能层设置方式包括以下至少一种：设置于所述底端电极之下、设置于所述磁隧道结与所述顶端电极之间、磁隧道结膜层中或磁隧道结周围区域，
9.至少一个所述磁性功能层用于接收调控信号，响应于所述调控信号，调控所述磁隧道结的阻态，或者对所在磁隧道结施加漏磁场以调控所述磁隧道结的阻态，
10.所述概率计算器件用于对所述磁隧道结的阻态变化次数或时间进行统计，得出磁隧道结阻态概率翻转的结果，并以所述概率翻转的结果作为生成的随机数据，
11.所述概率翻转的结果包括：磁隧道结阻态对应的翻转概率，和/或磁隧道结阻态对应的翻转频数分布。
12.在一些实施例中，所述磁隧道结还包括：自由层、参考层以及势垒层，
13.所述参考层设置有对自由层的偏置磁场，所述自由层的偏置磁场响应于所述漏磁场改变大小和/或方向，以改变所述磁隧道结的阻态，
14.所述势垒层响应于所述调控信号通过改变所述势垒层两端的场效应来改变所述磁隧道结的阻态，
15.所述场效应包括：声场、光场、热场、电场以及磁场。
16.在一些实施例中，所述参考层磁化方向在制备后不发生变化，作为所述自由层磁化方向的参考方向，当所述自由层磁化方向与所述参考层磁化方向相同时，所述磁隧道结呈现低阻态，当所述自由层磁化方向与所述参考层磁化方向相反时，所述磁隧道结呈现高阻态。
17.在一些实施例中，所述概率计算器件还设置有端口，所述端口包括：
18.端口a、端口b以及端口c，
19.所述端口a设置于所述顶端电极，用于向所述磁性功能层传递所述调控信号，所述调控信号包括：声场信号、光场信号、热场信号、电场信号以及磁场信号；
20.所述端口b以及所述端口c设置于所述底端电极，
21.所述端口b和/或端口c用于向所述底端电极传递所述调控信号。
22.在一些实施例中，针对任意一个磁隧道结，通过所述端口a、所述端口b以及所述端口c中的至少一个端口输入所述调控信号。
23.在一些实施例中，组成所述磁性功能层的材料包括以下单质或以下单质的混合物，所述单质包括：铁fe、钴co、镍ni以及硼b。
24.在一些实施例中，组成所述顶端电极的材料包括以下单质或以下单质的混合物，所述单质包括：钽ta、铝al、金au、铬cr、铜cu、钼mo、钨w以及铂pt。
25.在一些实施例中，所述底端电极的材料包括以下单质或以下单质的混合物，所述单质包括：钽ta、铝al、金au、铬cr、铜cu、钼mo、钨w以及铂pt。
26.在一些实施例中，所述势垒层的材料包括以下至少一种化合物或化合物的混合物，所述化合物包括：氧化铝al2o3或氧化镁mgo。
27.在一些实施例中，所述磁性功能层与所述磁性功能层相邻的任一层混合构建，所述磁性功能层相邻的层包括：所述顶端电极层，参考层以及所述底端电极层。
28.在本技术的另一方面，还提出了一种随机数据生成方法，应用于概率计算器件，
29.所述概率计算器件包括磁隧道结，磁性功能层以及端口，所述方法包括：
30.所述磁性功能层接收经由所述端口输入的调控信号；
31.响应于所述调控信号，所述磁性功能层调控所述磁隧道结的阻态，或者对所述磁隧道结施加漏磁场以调控所述磁隧道结的阻态；
32.所述概率计算器件根据对应时间段内所述磁隧道结的阻态变化，得到所述磁隧道结阻态的概率翻转结果，并以所述概率翻转的结果作为对应生成的随机数据。
33.在一些实施例中，所述磁隧道结还包括自由层以及势垒层，
34.所述自由层外部设置有偏置磁场，所述漏磁场通过改变所述偏置磁场的大小或方向来调控所述磁隧道结的阻态，
35.所述势垒层响应于所述调控信号通过改变所述势垒层两端的场效应来改变所述磁隧道结的阻态，
36.所述场效应包括：声场、光场、热场、电场以及磁场。
37.在一些实施例中，针对任意一个磁隧道结，所述调控信号至少通入一个所述端口，
38.通过改变所述调控信号大小或方向对所述磁隧道结阻态的调控，实现对所述磁隧道结阻态变化对应的次数或时间的数据获取，并以此得出所述磁隧道结的概率翻转的结果。
39.在一些实施例中，所述调控信号包括：声场信号、光场信号、热场信号、电场信号以及磁场信号。
40.在一些实施例中，所述磁隧道结膜层结构建手段可采用溅射方式。
41.本发明的实施例提供了一种概率计算器件及随机数据生成方法，通过对概率计算器件的存储单元增设磁性功能层，并对所述存储单元设定至少三处端口进行调控信号通入，响应于索书号调控信号，所述磁隧道结自由层的偏置磁场的大小和/或方向改变，所述磁隧道结势垒层两端热影响和/或电荷聚集量发生改变，以此实现对磁隧道结阻态的调控。所述概率计算器件记录固定时间内所述磁隧道结的阻态变化次数，得出磁隧道结阻态翻转概率，并以所述翻转概率作为生成的随机数据。过程中所述调控大电流不通过势垒层，减轻了所述势垒层的磨损，劲儿提升了概率计算器件的使用寿命。
附图说明
42.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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技术的一些实施例。
43.图1为根据本技术一实施方式的磁性功能层设置于磁隧道结与顶端电极之间的概率计算器件结构示意图；
44.图2为根据本发明一实施方式的磁性功能层设置于底端电极之下的概率计算器件结构示意图；
45.图3为根据本发明一实施方式的磁隧道结阻态随通入电压变化示意图；
46.图4为根据本发明一实施方式的概率计算器件翻转概率随电压变化示意图；
47.图5为根据本发明一实施方式的概率计算器件翻转概率随磁场变化示意图。
具体实施方式
48.为使得本技术的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本技术一部分实施例，而非全部实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
49.本领域技术人员可以理解，本技术中的“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同设备、模块或参数等，既不代表任何特定技术含义，也不表示它们之间的必然逻辑顺序。
50.随着集成电路产业的高速发展，需要解决的问题逐渐复杂，概率计算在人工智能、大数据、物联网领域应用越来越广泛。现阶段常用量子计算系统进行概率计算，但量子计算系统的基础单元量子比特的状态很难维持，且对工作环境要求较高，很难实现大规模集成。
51.磁隧道结(mtj，magnetic tunnel junction)具有响应速度高、低功耗、耐用性长、等优良特性而作为磁性随机存储器(mram，magnetic random access memory)的基础单元并广泛应用。将其应用在概率计算可有效解决概率计算中的速度和可靠性问题。然而，在对mtj实际应用中发现，mtj概率器件在使用过程会伴随自旋转移矩电流的穿过，随着计算速率和计算量的提升，mtj两端的mtj概率器件中的势垒层在使用过程中会逐渐老化，最终影响器件的使用寿命。
52.在本技术的一个实施例中，提出了一种概率计算器件，所述概率计算器件结构如图1所示，所述存储单元包括：
53.底端电极、磁隧道结、顶端电极以及至少一个磁性功能层，
54.所述磁隧道结设置于所述底端电极之上，
55.所述磁性功能层设置方式包括以下至少一种：设置于所述底端电极之下(如图2所示)、设置于所述磁隧道结与所述顶端电极之间、磁隧道结膜层中或磁隧道结周围区域，
56.至少一个所述磁性功能层用于接收调控信号，响应于所述调控信号，调控所述磁隧道结的阻态，或者对所在磁隧道结施加漏磁场以调控所述磁隧道结的阻态，
57.所述概率计算器件用于对所述磁隧道结的阻态变化次数或时间进行统计，得出磁隧道结阻态概率翻转的结果，并以所述概率翻转的结果作为生成的随机数据，
58.所述概率翻转的结果包括：磁隧道结阻态对应的翻转概率和/或磁隧道结阻态对应的翻转频数分布。
59.可选的，如图2所示，所述概率计算器件结构还包括：调控端口，所述调控端口包括：调控端口d以及调控端口e，
60.所述调控端口用以调控所述磁性功能层漏磁场的大小和/或方向，
61.所述调控端口设置方式不受所述磁性功能层设置位置影响。
62.可选的，所述磁隧道结还包括：自由层、参考层以及势垒层，
63.所述参考层设置有对自由层的偏置磁场，所述自由层的偏置磁场响应于所述漏磁场改变大小和/或方向，以改变所述磁隧道结的阻态，
64.所述势垒层响应于所述调控信号通过改变所述势垒层两端的场效应来改变所述磁隧道结的阻态，
65.所述场效应包括：声场、光场、热场、电场以及磁场。
66.可选的，所述参考层磁化方向在制备后不发生变化，作为所述自由层磁化方向的参考方向，当所述自由层磁化方向与所述参考层磁化方向相同时，所述磁隧道结呈现低阻态，当所述自由层磁化方向与所述参考层磁化方向相反时，所述磁隧道结呈现高阻态；
67.通常的，用所述磁隧道结的高低阻态来分别表征二进制“0”，“1”分布，进行概率统计。
68.可选的，所述概率计算器件还可设置有积分电路，
69.所述积分电路可用于对一段时间内所述磁隧道结阻态变化生成的随机数据进行积分，求得对应时间段内的平均值。
70.可选的，所述概率计算器件还设置有端口，所述端口包括：
71.端口a、端口b以及端口c，
72.所述端口a设置于所述顶端电极，用于向所述磁性功能层传递所述调控信号，所述调控信号包括：声场信号、光场信号、热场信号、电场信号以及磁场信号；
73.所述端口b以及所述端口c设置于所述底端电极，
74.所述端口b和/或端口c用于向所述底端电极传递所述调控信号。
75.可选的，针对任意一个磁隧道结，通过所述端口a、所述端口b以及所述端口c中的至少一个端口输入所述调控信号。
76.可选的，组成所述磁性功能层的材料包括以下单质或以下单质的混合物，所述单
质包括：铁fe、钴co、镍ni以及硼b。
77.可选的，组成所述顶端电极的材料包括以下单质或以下单质的混合物，所述单质包括：钽ta、铝al、金au、铬cr、铜cu、钼mo、钨w以及铂pt。
78.可选的，所述底端电极的材料包括以下单质或以下单质的混合物，所述单质包括：钽ta、铝al、金au、铬cr、铜cu、钼mo、钨w以及铂pt。
79.可选的，所述势垒层的材料包括以下至少一种化合物或化合物的混合物，所述化合物包括：氧化铝al2o3或氧化镁mgo。
80.可选的，所述磁性功能层与所述磁性功能层相邻的任一层混合构建，所述磁性功能层相邻的层包括：所述顶端电极层，参考层以及所述底端电极层。
81.可选的，所述磁隧道结膜层结构可采用溅射方式生成。
82.在本技术的另一个实施例中，还提供了一种随机数据生成方法，应用于概率计算器件，
83.所述概率计算器件包括磁隧道结，磁性功能层以及端口，所述方法包括：
84.所述磁性功能层接收经由所述端口输入的调控信号；
85.响应于所述调控信号，所述磁性功能层调控所述磁隧道结的阻态，或者对所述磁隧道结施加漏磁场以调控所述磁隧道结的阻态；
86.所述概率计算器件根据对应时间段内所述磁隧道结的阻态变化，得到所述磁隧道结阻态的概率翻转结果，并以所述概率翻转的结果作为对应生成的随机数据。
87.可选的，所述磁隧道结还包括自由层以及势垒层，
88.所述自由层外部设置有偏置磁场，所述漏磁场通过改变所述偏置磁场的大小或方向来调控所述磁隧道结的阻态，
89.所述势垒层响应于所述调控信号通过改变所述势垒层两端的场效应来改变所述磁隧道结的阻态，
90.所述场效应包括：声场、光场、热场、电场以及磁场。
91.可选的，针对任意一个磁隧道结，所述调控信号至少通入一个所述端口，
92.通过改变所述调控信号大小或方向对所述磁隧道结阻态的调控，实现对所述磁隧道结阻态变化对应的次数或时间的数据获取，并以此得出所述磁隧道结的概率翻转的结果。
93.可选的，所述端口b以及端口c通入的所述调控信号的电流密度大小为调控所述磁隧道结翻转概率的主要因子。
94.可选的，所述端口a通入的所述调控信号用以调控所述磁性功能层的漏磁场的大小和/或方向，通过所述漏磁场对所述自由层的偏置磁场进行影响，实现调控所述磁隧道结翻转概率的效果。
95.可选的，固定磁场条件的情况下，对所述存储单元通入调控信号进行调控，如图3所示，当所述调控信号的通入电压为负方向时，所述存储单元的磁隧道结的阻态表征为低态，当负向电压逐渐转向正向电压时，所述存储单元的磁隧道结的阻态表征呈高态与低态之间变化，直至所述正向电压增大至所述磁隧道结阻态稳定处于高态；
96.明显的，通电过程中存在相应的电压值，在一段时间内，使所述磁隧道结阻态在高态和低态之间变化翻转，即存在相应的电压值使所述磁隧道结阻态进行概率翻转，并且通
过调整电压值可以实现对所述磁隧道结阻态翻转概率的准确控制。
97.可选的，固定磁场条件的情况下，对所述存储单元通入调控信号进行调控，所述概率计算器件对一段时间内所述存储单元的磁隧道结阻态翻转次数进行记录，并计算出对应阻态翻转出现的频率，作为所述磁隧道结阻态翻转的概率，如图4所示；
98.明显的，由图4可知在每个特定电压下，所述磁隧道结阻态概率(高态概率或低态概率)存在对应值，
99.明显的，在概率计算领域中，需求使用特定概率值时，可通过调整所述概率计算器件的调控信号来确定。
100.可选的，在固定所述调控信号的情况下，对所述磁性功能层产生的漏磁场进行调控，所述概率计算器件阻态翻转概率如图5所示，在每个特定磁场条件下，所述磁隧道结阻态概率(高态概率或低态概率)存在对应值，
101.明显的，在概率计算领域中，需求使用特定概率值时，可通过调整所述概率计算器件的漏磁场来确定。
102.本发明的实施例提供了一种概率计算器件及随机数据生成方法，通过对概率计算器件的存储单元增设磁性功能层，并对所述存储单元设定至少三处端口进行调控信号通入，响应于索书号调控信号，所述磁隧道结自由层的偏置磁场的大小和/或方向改变，所述磁隧道结势垒层两端热影响和/或电荷聚集量发生改变，以此实现对磁隧道结阻态的调控。所述概率计算器件记录固定时间内所述磁隧道结的阻态变化次数，得出磁隧道结阻态翻转概率，并以所述翻转概率作为生成的随机数据。过程中所述调控大电流不通过势垒层，减轻了所述势垒层的磨损，劲儿提升了概率计算器件的使用寿命。
103.以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。