(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁界の向きにより決まる第１の情報を受け取って当該第１の情報に対応する磁界を発生する第１の入力情報セルと、
磁界の向きにより決まる第２の情報を受け取って当該第２の情報に対応する磁界を発生する第２の入力情報セルと、
上記第１の入力情報セルからの磁界と、上記第２の入力情報セルからの磁界に基づいて得られる磁化の向きを演算結果として出力する出力情報セルと
を具備することを特徴とする磁性演算素子。
【請求項２】
前記出力情報セルに対して常時バイアス磁界を印加するバイアス印加素子をさらに有し、上記出力情報セルは、上記第１の入力情報セルからの磁界と、上記第２の入力情報セルからの磁界と、上記バイアス印加素子からのバイアス磁界とのベクトル合成により得られる磁化の向きを演算結果として出力することを特徴とする請求項１記載の磁性演算素子。
【請求項３】
上記出力情報セルの磁化の向きを演算結果として読み出す情報読み出し素子をさらに有することを特徴とする請求項１記載の磁性演算素子。
【請求項４】
上記情報読み出し素子は、前記出力情報セルに電流を流したときに不必要な電流が演算素子全体に流れるのを防ぐための絶縁層と、前記出力情報セルの磁化の向きを転写するための第１の磁性層と、第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層とを磁気的に分離するための非磁性層と、前記第２の磁性層に隣接して設けられた反強磁性層とを具備することを特徴とする請求項３記載の磁性演算素子。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１つに記載の磁性演算素子を用いたことを特徴とする演算装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁性演算素子及びそれを用いた演算装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、現在のコンピュータにおける演算は、半導体素子を組み合わせて構成した演算素子により行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、半導体素子は概して宇宙線等の放射線に対する耐性が低く、半導体素子に放射線が入射すると電子が発生し、電荷の有無により記憶を行なう半導体素子及びそれを用いた演算回路の動作に誤動作が生じる可能性がある。
【０００４】
本発明は、このような課題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、演算素子に宇宙線等の放射線に対する耐性が高い磁性体を用いることにより、誤動作のない演算素子及びそれを用いた演算装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第１の発明に係る磁性演算素子は、磁界の向きにより決まる第１の情報を受け取って当該第１の情報に対応する磁界を発生する第１の入力情報セルと、磁界の向きにより決まる第２の情報を受け取って当該第２の情報に対応する磁界を発生する第２の入力情報セルと、上記第１の入力情報セルからの磁界と、上記第２の入力情報セルからの磁界に基づいて得られる磁化の向きを演算結果として出力する出力情報セルとを具備する。
【０００６】
また、第２の発明は、第１の発明に係る磁性演算素子において、前記出力情報セルに対して常時バイアス磁界を印加するバイアス印加素子をさらに有し、上記出力情報セルは、上記第１の入力情報セルからの磁界と、上記第２の入力情報セルからの磁界と、上記バイアス印加素子からのバイアス磁界とのベクトル合成により得られる磁化の向きを演算結果として出力する。
【０００７】
また、第３の発明は、第１の発明に係る磁性演算素子において、上記出力情報セルの磁化の向きを演算結果として読み出す情報読み出し素子をさらに有する。
【０００８】
また、第４の発明は、第３の発明に係る磁性演算素子において、上記情報読み出し素子は、前記出力情報セルに電流を流したときに不必要な電流が演算素子全体に流れるのを防ぐための絶縁層と、前記出力情報セルの磁化の向きを転写するための第１の磁性層と、第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層とを磁気的に分離するための非磁性層と、前記第２の磁性層に隣接して設けられた反強磁性層とを具備する。
【０００９】
また、第５の発明に係る磁性演算装置は、第１から第４の発明のいずれか１つに記載の磁性演算素子を用いる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の概略を説明する。本発明では、演算素子の磁性体の磁化の向きに情報を対応させ、少なくとも３個の磁性体（後述する入力情報セルＡ，Ｂと出力情報セル）を用いることにより、磁性体を用いた演算素子の構成が可能である。上記磁性体の近傍には、コイルなどの磁界を発生する素子を隣接させて磁界の発生により演算素子に情報を送り込む。送り込む情報は０，１の２種類あり、それらの情報を用いて所定の演算を行い、１つの値を演算結果として出力する。このときの演算結果は磁性体の磁化の向きという形で出力される。その出力された磁性体の磁化の向きは、磁気抵抗効果素子などの磁界センサーにより読み出すことができる。
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１、図２（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る磁性演算素子の構成を示す図であり、図１は、１＋１＝２の演算例、図２（ａ）は、１＋０＝１の演算例、図２（ｂ）は、０＋０＝０の演算例を示している。
【００１２】
図において、情報入力素子Ａ１０１及び情報入力素子Ｂ１０３は、それぞれ演算の元となる数値（ここでは１または０）を演算素子内に送り込む作用をする。これらは、具体的には磁界を発生する素子で構成され、例えば、コイルが考えられる。情報入力素子Ａ１０１及び情報入力素子Ｂ１０３に流す電流の向きにより、上向きの磁界かあるいは下向きの磁界を発生する。ここでは、上向きの磁界を発生させたときに「１」を、下向きの磁界を発生させたときに「０」を演算素子内に入力することになる。
【００１３】
入力情報セルＡ１０２及び入力情報セルＢ１０４は、情報入力素子Ａ１０１及び情報入力素子Ｂ１０４から入力する情報を受け取る部分である。これら入力情報セルＡ１０２及び入力情報セルＢ１０４は、正方形の磁性薄膜で構成される。形状を正方形にすることにより、その２本の対角線の方向に磁化が向きやすくなるからである。演算の種類により磁化の向きを変える必要があるので、入力情報セルＡ１０２及び入力情報セルＢ１０４は、軟磁気特性の優れた材料でできていることが望ましく、例えばパーマロイなどを用いることが望ましい。また、これら入力情報セルＡ１０２及び入力情報セルＢ１０４は、情報入力素子Ａ１０１及び情報入力素子Ｂ１０３を介して入力された数値（情報）を出力情報セル１０６に送り込む作用をも持っている。このときの送り込みは磁界を利用して行なう。
【００１４】
出力情報セル１０６は、入力情報セルＡ１０２及び入力情報セルＢ１０４と同様に、正方形の磁化薄膜で構成される。形状を正方形にすることにより、その２本の対角線の方向に磁化が向きやすくなるからである。演算結果に応じて磁化の向きを変える必要があるので、出力情報セル１０６は、軟磁気特性の優れた材料でできていることが望ましく、例えばパーマロイなどを用いることが望ましい。
【００１５】
出力情報セル１０６は、バイアス印加素子１０７により、常時、バイアス磁界（常に図の右向きの磁界）が印加されている。ここで、バイアス印加素子１０７は、上記の出力情報セル１０６に対して、常時、図の右向きの磁界を印加することを行なう。これも具体的には、磁界を発生するコイルなどの素子で構成される。
【００１６】
したがって、出力情報セル１０６は、入力情報セルＡ１０２及び入力情報セルＢ１０４からの信号がないときには、その磁化の向きは右向きになっている。また、入力情報セルＡ１０２及び入力情報セルＢ１０４から信号が送り込まれたときにおける、出力情報セル１０６の磁化方向は、２つの入力情報セルＡ１０２及び入力情報セルＢ１０４からの磁界とバイアス印加素子１０７からの磁界のベクトルを合成した向きになる。このベクトルの合成が演算の作用を持っている。従って、出力情報セル１０６の磁化の向きが演算結果となる。
【００１７】
情報読み出し素子１０８は、出力情報セル１０６の磁化の向き、すなわち、演算結果を読み取る素子である。具体的には、磁気抵抗効果などを用いて出力情報セル１０６の磁化の向きを検出する。この検出の詳細については図３を参照して後述する。
【００１８】
なお、図において上記した各素子に付与されている矢印の向きは磁化の向きを表わしているものとする。
【００１９】
以下に、図１を参照して「１」＋「１」の演算が行なわれる過程について説明する。まず、図１に示すように、情報入力素子Ａ１０１に上向きの磁界を発生するように指令を出す。これにより情報入力素子Ａ１０１から「１」が入力されたことになる。また、情報入力素子Ｂ１０３にも同様に、上向きの磁界を発生するように指令を出す。これにより情報入力素子Ｂ１０３から「１」が入力されたことになる。
【００２０】
情報入力素子Ａ１０１の上向きの磁界の影響により、入力情報セルＡ１０２の磁化は上を向く。これで、入力情報セルＡ１０２は「１」の数値を読み込んだことになる。また、同様にして、情報入力素子Ｂ１０３の上向きの磁界の影響により、入力情報セルＢ１０４の磁化は上を向く。これで、入力情報セルＢ１０４は、「１」を読み込んだことになる。
【００２１】
出力情報セル１０６には、２つの入力情報セルＡ１０２，Ｂ１０４からの磁界と、バイアス印加素子１０７からの磁界とが印加される。従って、出力情報セル１０６の磁化の向きは、２つの入力情報セルＡ１０２，Ｂ１０４からの磁界と、バイアス印加素子１０７からの磁界のベクトルを合成した向きになる。
【００２２】
図１に示す例では、２つの入力情報セルＡ１０２，Ｂ１０４からの磁界の影響が、バイアス印加素子１０７からの磁界の影響よりも強いために、出力情報セル１０６の磁化は上を向く。出力情報セル１０６は正方形をしているために、その対角線の方向に磁化が向き、中途半端な向きに向くことはない。これは、磁性薄膜の形状磁気異方性（長い方向に磁化しやすい性質）によるためである。
【００２３】
この出力情報セル１０６の磁化の向きが演算結果となる。加法（＋）の場合には、出力情報セル１０６の磁化の向きが「上向き」のときに「２」を、「右向き」のときに「１」を、「下向き」のときに「０」を演算結果として得たことになる。この出力情報セル１０６の磁化の向きは、情報読み出し素子１０８により検出される。
【００２４】
図３は、上記した出力情報セル１０６の上に作製された情報読み出し素子１０８の構造の一例を示す断面図である。絶縁層２０１は、出力情報セル１０６に電流を流したときに、不必要な電流が演算素子全体に流れるのを防止するために設けられ、その厚さは、３ｎｍ程度である。磁性層２０２は、出力情報セル１０６の磁化の向きを転写するための層である。静磁的な相互作用のため、出力情報セル１０６の磁化の向き２０８と磁性層２０２の向き２０７とは常に平行になる。
【００２５】
磁性層２０２の磁化は、出力情報セル１０６の磁化と同時に回転する必要があるため、磁性層２０２の材料はパーマロイなどの軟磁性材料である必要がある。この磁性層２０２の厚さは、３〜１０ｎｍ程度である。
【００２６】
非磁性層２０３は、磁性層２０２と磁性層２０４とを磁気的に分離する役目をもち、その厚さは２〜３ｎｍ程度であり、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなどが材料して用いられる。また、非磁性層２０３の代わりに、厚さ２ｎｍ程度以下の薄い絶縁体を用いることも可能である。Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなどを用いたときには、巨大磁気抵抗効果を利用して情報を読み出すことになる。また、絶縁体を用いたときには、強磁性トンネル効果を利用して情報を読み出すことになる。磁性層２０４は、磁性層２０２と同様に、パーマロイなどの軟磁性材料で構成され、その厚さは３〜１０ｎｍ程度である。
【００２７】
磁性層２０４の磁化の向き２０６は、反強磁性層２０５の影響で、常に一方向（図３では左向き）になる。反強磁性層２０５には、Ｍｎ系の反強磁性材料が用いられ、その厚さは５〜３０ｎｍ程度である。反強磁性層２０５と磁性層２０４の界面では、両方の層２０５，２０４の原子が交換相互作用により結びついている。反強磁性層２０５の界面の原子の磁気モーメントが左を向いている場合、図３のように、磁性層２０４の磁化の向き２０６は左向きになる。
【００２８】
このような情報読み出し素子を利用して出力情報セル１０６の磁化の向きを検出するときには、情報読み出し素子に電流を流す。この場合、２個の電流素子を反強磁性層２０５の両端に接触させても良いし、反強磁性層２０５と磁性層２０２に接触させても良い。いずれにしても、電流は非磁性層２０３を膜厚方向に通過する。
【００２９】
電流が非磁性層２０３を膜厚方向に通過する場合、２層の磁性層（２０２，２０４）の磁化の向きが平行のときに最も電気抵抗が低く、２層の磁性層（２０２，２０４）の磁化の向きが反平行のときに、最も電気抵抗が高くなる。２層の磁性層（２０２，２０４）の磁化の向きが直交するときには、それらの中間の電気抵抗となる。従って、情報読み出し素子１０８に電流を流し、そのときの電気抵抗を測定すると、磁性層２０２の磁化の向き、すなわち、出力情報セル１０６の磁化の向き２０８がわかる。このようにして、出力情報セル１０６の示す演算結果を読み出すことができる。
【００３０】
図４は、１−１＝０の演算例、図５（ａ）は、１−０＝１の演算例、図５（ｂ）は、０−０＝０の演算例を示している。各部の基本的な作用は図１及び図２（ａ）、（ｂ）と同様である。但し、ここでは、出力情報セルの磁化の向きが「上向き」および「下向き」のときに、演算結果として「０」を得たものと判断し、「右向き」のときに、演算結果として「１」を得たものと判断する。
【００３１】
図６は、入力される「１」の数により演算結果が異なるようにした実施形態であり、図６（ａ）は、「１」が２個入力されたときに「１」を出力する構成であり、図６（ｂ）及び図６（ｃ）は、「１」が１個以下入力されたときに「０」を出力する構成を示している。
【００３２】
各部の基本的な作用は図１及び図２（ａ）、（ｂ）と同様である。但し、ここでは、出力情報セルの磁化の向きが「上向き」のときに、演算結果として「１」を得たものと判断し、「右向き」及び「下向き」のときに、演算結果として「０」を得たものと判断する。
【００３３】
また、図７は、入力される「１」の数により演算結果が異なるようにした他の実施形態であり、図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、「１」が少なくとも１個入力されたときに「１」を出力する構成を示している。
【００３４】
各部の基本的な作用は図１及び図２（ａ）、（ｂ）と同様である。但し、ここでは、出力情報セルの磁化の向きが「上向き」および「右向き」のときに、演算結果として「１」を得たものと判断し、「下向き」のときに、演算結果として「０」を得たものと判断する。
【００３５】
なお、本発明においては、磁性演算素子を同一平面内に配置する必要はなく、ｚ方向すなわち３次元方向に積層することも可能である。この場合には、それぞれの演算素子から漏洩する磁界が他の演算素子に入らないようにする必要があり、例えばそれぞれの演算素子の間に、パーマロイなどで形成した磁気シールド層を設けることが考えられる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、演算素子に宇宙線等の放射線に対する耐性が高い磁性体を用いるようにしたので、誤動作のない演算素子及びそれを用いた演算装置を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る磁性演算素子の構成を示す図であり、１＋１＝２の演算例を示している。
【図２】本発明の一実施形態に係る磁性演算素子の構成を示す図であり、（ａ）は、１＋０＝１の演算例、（ｂ）は、０＋０＝０の演算例を示している。
【図３】出力情報セル１０６の上に作製された情報読み出し素子１０８の構造の一例を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る磁性演算素子の構成を示す図であり、１−１＝０の演算例を示している。
【図５】本発明の一実施形態に係る磁性演算素子の構成を示す図であり、（ａ）は、１−０＝１の演算例、（ｂ）は、０−０＝０の演算例を示している。
【図６】入力される「１」の数により演算結果が異なるようにした実施形態を示す図である。
【図７】入力される「１」の数により演算結果が異なるようにした他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１０１  情報入力素子Ａ
１０２  入力情報セルＡ
１０３  情報入力素子Ｂ
１０４  入力情報セルＢ
１０５  磁化の向き
１０６  出力情報セル
１０７  バイアス印加素子
１０８  情報読み出し素子
【図１】
0003541229.tif 000002
【図２】
0003541229.tif 000003
【図３】
0003541229.tif 000004
【図４】
0003541229.tif 000005
【図５】
0003541229.tif 000006
【図６】
0003541229.tif 000007
【図７】
0003541229.tif 000008