- 文献综述（或调研报告）：
对磁存储器及关键词语音识别系统的调研报告
- 简介
存储器是计算机体系结构中的重要组成部分，对计算机的速度、集成度和功耗等都有决定性的影响。传统的CPU平台利用静态随机存取存储器（SRAM）作为Level 1~Level 3 Cache存储单元，在卷积运算过程中，运算单元与存储单元产生大量的数据交互操作，由于该技术存取时间短、持久性高而被广泛应用于现代微处理器的片上寄存器和高速缓存存储器，然而，SRAM密度有限，大部分高密度工作存储器都是能量消耗高、访问速度慢的片外存储器，对于物联网应用，使用静态随机存取存储器进行计算和存储分离的方法仍然存在低功耗和低区域开销的问题，大量的数据处理会导致能源成本。目前的存储器难以同时兼顾各项性能指标，DRAM逐渐达到了其固有的容量和密度瓶颈，DRAM[1]的能耗，特别是刷新能耗，已经占据了整个系统能耗的40%左右，刷新能耗所带来的成本也是不容小觑的。由于CMOS晶体管的漏电流随着工艺尺寸的减小而增大，SRAM和DRAM的静态功耗日益加剧。解决该问题的一个有效途径是构建非易失性的缓存和主存，使系统可工作于休眠模式而不丢失数据，从而消除漏电流和静态功耗，而且非易失性存储器可通过后道工艺直接集成于CMOS电路上，减小了互连延迟。在目前诸多的非易失性存储器中，以Flash的技术最为成熟，但Flash因写入速度慢(毫秒)、可擦写次数有限等缺点而无法达到缓存和主存的性能要求。其他的候选有可变电阻式存储器、相变存储器和自旋转移矩磁性随机存储器等。磁性随机存取存储器拥有静态随机存储器的高速读取写入能力以及动态随机存储器的高集成度，这满足了人们对存储系统的要求也越来越高，容量大、密度高、能耗低、读写速度快，完全适用于云计算和大数据的发展。关键词语音识别系统[2]由用户语音输入关键词，系统进行录音，并对得到的音频文件进行语音识别，识别得到的关键词文本信息被传入数据库中，进行匹配查询，查询得到的结果转化为用户所需要的信息。这一过程可用卷积神经网络实现，对于这些繁杂的计算，磁随机存取存储器无疑是最好的选择。
- 技术原理
2.1 磁随机存取存储器
磁性随机存储器（MRAM）[3]可以在掉电时保留数据，并且不需要定期刷新。MRAM利用磁性材料和传统的硅电路在单个器件中提供了SRAM的高速度和闪存的非易失性，它的寿命几乎是没有限制的。MRAM 是磁介质形式的非易失性存储器，其读写速度快于DRAM，在实验环境中，它可以在2.3ns 内完成一次写入操作。MRAM 具有不受限制的读写次数，且功率损耗极低，它的电路复杂程度还不及一般的存储器，整个芯片仅仅需要一条读出电路，还可以做到瞬间开关机以及延长便携式电脑的电池使用寿命。
对于磁性随机存取存储器，通常情况下运用的是磁化方向异同而引起的磁电阻异同进行记录0与1，作用原理是磁隧道结，由两个铁磁金属层夹着一个隧穿势垒层，其中一个铁磁层被称为参考层或固定层，它的磁化沿易磁化轴方向固定不变，另一个铁磁层被称为自由层，它的磁化有两个稳定的取向，当自由层与参考层平行时，两层铁磁材料中处于多数态的电子自旋方向相同，隧穿概率较高，隧穿电流较大隧道结处于低阻态，反之隧道结处于高阻态，两种阻态可分别代表二进制数据“0”和“1”。
在磁性存储器[4-5]中，通过改变外加场的大小改变自由层的磁矩方向的定义为传统MRAM，通过通入电流改变自由层磁矩方向的定义为STT-MRAM。传统的MRAM如下图所示，磁隧道结置于字线和位线交叉处，字线和位线分别沿着自由层的难磁化轴和易磁化轴方向，写入时，被选中的磁隧道结的字线和位线分别通入电流以产生相互垂直的两个磁场，它们的大小均不足以使自由层完成磁化翻转，但能够将彼此方向上的矫顽场大小降至所产生的的磁场一下，因此，只有交叉处的隧道结能够完成状态的写入。随着存储密度不断增大，传统MRAM在自由层产生的与施加磁场方向相反的退磁场不断变大，必须加大磁场才能保证有效的磁场施加，采用载流金属线产生磁场时电路设计复杂度较高，且相邻结构单元的交叉影响越来越大，能量消耗加大的同时极大地限制了磁记录密度的稳定性提高。STT-MRAM电流通过隧道结，利用自旋转移矩效应控制自由层磁矩，当电流从参考层流入自由层时，获得与参考层磁化方向相同的自旋角动量，该自旋极化电流进入自由层时，与自由层的磁化相互作用，导致自旋极化电流的横向分量被转移，由于角动量守恒，被转移的横向分量将以力矩的形式作用于自由层，迫使它的磁化方向与参考层接近。由于该模式为全电流写入模式，不涉及外加磁场的作用，写入电流的大小随工艺尺寸的缩小而减小，简化器件结构的同时极大地提高了存储密度。当需要记录状态为“0”时，电子先通过固定层，由于固定层磁化方向固定向上，电子穿过后其自旋被极化沿相同方向，电流即成为自旋极化电流。极化电流流入自由层后，电子自旋与任意方向的原子磁矩产生力矩，使两者产生进动，足够多的自旋电子最终“征服”原子磁矩，使磁矩统一向上排列。这样实现了自由层与固定层磁化方向一致的状态，即得到信号“0”。当电流从相反方向流入，电子从右到左运动，先通过自由层时，自由层任意朝向的磁矩不会对电子产生影响。而当电子到达固定层时，自旋向上的电子很容易通过，相反，自旋向下的电子被反射回去，这些统一自旋方向的电子又形成极化电流，对自由层原子同样产生力矩，使他们的磁矩朝下翻转。这样就得到了自由层与固定层磁化方向相反的状态，即信号“1”。如上两个过程，便实现了STT-MRAM的信息写入。在不同电流作用下 ，磁矩在平面内实现反转，这反映出单轴磁性晶体各向异性能的势垒特征。
图1 传统MRAM和STT-MRAM的结构
MRAM有一个重要的影响因素，即为磁各向异性的类型[6]。早期的磁隧道结采用面内磁各向异性，磁隧道结的存储寿命取决于热稳定性势垒和磁各向异性场，面向磁各向异性的来源是薄膜平面较大的长宽比，随着工艺尺寸的收缩，薄膜的边际效应加剧，临界翻转电流增加，自旋转移矩翻转效率降低，会产生显著的磁涡旋态，难以保持较高的热稳定性势垒，甚至稳定的磁化也无法存在，这将限制MRAM的存储密度。垂直磁各向异性避免了磁旋涡态在薄膜边缘的形成，提高了存储密度，由于此时自旋转移矩所需的临界翻转电流正比于热稳定性势垒，与面内各向异性相比，对于相同的热稳定性势垒，垂直磁各向异性下磁隧道结的临界翻转电流更低。
虽然自旋转移矩是目前MRAM所采用的的主流写入方式，然而，在速度和势垒方面也存在瓶颈。自旋转移矩的大小与自由层和参考层的磁化向量积呈正相关，写入之前，两个铁磁层的磁化方向几乎共线，主要靠热波动引发两者之间很小的夹角，因此在写入初始阶段，自旋转移矩相对微弱，随着磁化翻转过程的进行，两个磁化向量夹角才逐渐增大，自旋转移矩得以增强。初始时微弱的自旋转移矩导致了一个初始延迟，限制了写入速度，通过增大写入电流可以减小初始延迟，但同时也增加了势垒击穿的概率。自旋轨道矩的出现，有望突破传统自旋转移矩的性能瓶颈。在磁隧道结的自由层下方增加一条重金属薄膜，流经重金属薄膜的电流能够引发力矩以驱动自由层的磁化翻转，写入路径不通过磁隧道结，与读取路径分开，几乎避免了势垒击穿且速度更快。但对于垂直磁各向异性的磁隧道结来说，单独的自旋轨道矩无法实现确定性的磁化翻转，磁化在垂直向上和垂直向下两种状态下是等效的，必须沿电流方向外加一个水平磁场破坏这种对称性才能实现确定性的磁化翻转，而外加磁场也使电路更加复杂，铁磁层热稳定性降低。
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