(57)【要約】磁気積層系を備えるセルを有する少なくとも１つの論理ゲートを有する再構成可能なディジタル論理ユニットであって、セルの抵抗が磁場パルスによって変更可能であり、論理ゲートは少なくとも１つのデータセルを有する少なくとも第１の分岐及びそれに並列に接続され少なくとも１つの参照セルを有する第２の分岐並びに論理ゲートの論理状態に対する尺度を表わす第１及び第２の分岐の抵抗を評価するための手段を含むディジタル論理ユニットにおいて、第１の分岐が少なくとも２つの並列に接続されたデータセル（２）を有する。
2007529931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気積層系を備えるセルを有する少なくとも１つの論理ゲートを有し、セルの抵抗が磁場パルスによって変更可能であり、論理ゲートは少なくとも１つのデータセルを有する少なくとも第１の分岐及びそれに並列に接続され少なくとも１つの参照セルを有する第２の分岐並びに論理ゲートの論理状態に対する尺度を表わす第１及び第２の分岐の抵抗を評価するための手段を含むディジタル論理ユニットにおいて、第１の分岐が少なくとも２つの並列に接続されたデータセル（２）を有することを特徴とする再構成可能なディジタル論理ユニット。
【請求項２】
第１及び第２の分岐の抵抗を評価するための手段がコンパレータとして形成されていることを特徴とする請求項１記載の再構成可能なディジタル論理ユニット。
【請求項３】
前記手段が第１及び第２の分岐の並列接続として形成され、並列接続の全抵抗が評価可能であることを特徴とする請求項１記載の再構成可能なディジタル論理ユニット。
【請求項４】
第２の分岐が少なくとも２つの並列接続された参照セル（３）を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の再構成可能なディジタル論理ユニット。
【請求項５】
第１の分岐におけるセルの数が第２の分岐におけるセルの数と異なることを特徴とする請求項４記載の再構成可能なディジタル論理ユニット。
【請求項６】
第１及び第２の分岐が直列及び／又は並列接続されたセルを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の再構成可能なディジタル論理ユニット。
【請求項７】
好ましくはデータセル及び並列接続された参照セルを有する論理ゲートの出力が、別のゲートを制御するためこの別のゲートと結合されるか結合可能であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の再構成可能なディジタル論理ユニット。
【請求項８】
論理ゲートのセル（７）が同じ読み出し電流方向を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の再構成可能なディジタル論理ユニット。
【請求項９】
セル（２、３）の抵抗が磁場パルスによって60％まで可変であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の再構成可能なディジタル論理ユニット。
【請求項１０】
３値論理を作り出すため、分岐における抵抗が近似的に一致し、３値論理のＬ値からＨ値の下方に存在する中間値への抵抗変化が好ましくは近似的にＬ値からＨ値への抵抗変化の半分の大きさであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の再構成可能なディジタル論理ユニット。
【請求項１１】
論理ゲートがＨ、中間及びＬの抵抗段階を含むことを特徴とする請求項１０記載の再構成可能なディジタル論理ユニット。
【請求項１２】
論理ゲートが次のゲート関数：NOR、NAND、OR、AND、constの１つに対し組み込み可能であることを特徴とする請求項１０又は１１記載の再構成可能なディジタル論理ユニット。
【請求項１３】
４値論理を作り出すため第１の分岐の抵抗が近似的に第２の分岐の抵抗の５/３に相応することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の再構成可能なディジタル論理ユニット。
【請求項１４】
論理ゲートが、Ｈ、中Ｈ、中Ｌ及びＬの抵抗段階を含むことを特徴とする請求項１３記載の再構成可能なディジタル論理ユニット。
【請求項１５】
論理ゲートが次のゲート関数：OR、Var、AND、const、NOR、NANDの1つに対し組み込み可能であることを特徴とする請求項１３又は１４記載の再構成可能なディジタル論理ユニット。
【請求項１６】
論理ユニットが２値及び／又は３値及び／又は４値の論理ゲートを含むことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１つに記載の再構成可能なディジタル論理ユニット。
【請求項１７】
論理ユニットがフィールドプログラミング可能な論理ユニットとして形成されていることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１つに記載の再構成可能なディジタル論理ユニット。
【請求項１８】
論理ユニットがマスクプログラミング可能な論理ユニットとして形成されていることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１つに記載の再構成可能なディジタル論理ユニット。
【請求項１９】
磁気積層系を有するセルが相並んで又は重なり合って配置されていることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１つに記載の再構成可能なディジタル論理ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気積層系を備えるセルを有する少なくとも１つの論理ゲートを有する再構成可能なディジタル論理ユニットであって、セルの抵抗が磁場パルスによって変更可能であり、論理ゲートは少なくとも１つのデータセルを有する少なくとも第１の分岐及びそれに並列に接続され少なくとも１つの参照セルを有する第２の分岐並びに論理ゲートの論理状態に対する尺度を表わす第１及び第２の分岐の抵抗を評価するための手段を含む再構成可能なディジタル論理ユニットに関する。
【０００２】
そのようなセルは、磁気ベース上に情報を記憶することを可能にする。磁気積層系の層の磁化は磁場パルスによって変えることができ、その結果この積層構造の磁気抵抗は二、三パーセントだけ変わる。各抵抗は読み出すことができ、セルの論理状態に対する尺度である。
【０００３】
ただしそのようなディジタル論理ユニットの適用可能性は著しく限られている。その実際的な問題の１つは、TMR（トンネル磁気抵抗）がとりわけ選択された電流方向に依存することである。おそらく両バリア側上の材料が異なることがその理由である。
【０００４】
本発明の課題はそれ故、読み出し電流の方向がすべてのセルに対して同じである再構成可能なディジタル論理ユニットを得ることにある。
【０００５】
この課題を解決するため、冒頭に述べたような再構成可能なディジタル論理ユニットにおいて、本発明によれば、第１の分岐が少なくとも２つの並列に接続されたデータセルを有することが提示される。
【０００６】
本発明による再構成可能なディジタル論理ユニットの論理ゲートの第１の分岐は少なくとも１つのデータセルを含み、このデータセルは、データセルの抵抗が磁場パルスを加えることにより変えられ得ることによって磁場パルスによりプログラミングされ得る。調整可能な両状態間の相違は、TMR信号ストロークといわれる。並列の第２の分岐内に配置された参照セルは同様に、磁気積層系を有するTMRセルである。参照セルはあらかじめプログラミングされたセルであってよく、しかしまた再プログラミング可能なセルを問題とすることもできる。その両者において、各プログラミングは不揮発性として保持され、論理ゲートの関数を決定する。本発明によれば、第１及び第２の分岐の抵抗を評価するための手段が設けられている。これらの抵抗は論理ゲートの論理状態に対する尺度である。
【０００７】
第１及び第２の分岐の抵抗を評価するための手段は、コンパレータとして構成することができる。この場合両分岐の抵抗は個々に評価される。
【０００８】
それに代えて、本発明による論理ユニットにおいては、前記手段が第１及び第２の分岐の並列接続として構成され、並列接続の全抵抗が評価可能であるようにすることも可能である。本発明のこの変形においては、抵抗は共通に評価される。並列接続は、参照セルが論理ゲートのTMR信号ストロークを制御することを生じさせる。
【０００９】
本発明による再構成可能なディジタル論理ユニットの発展形態においては、第２の分岐が少なくとも２つの並列に接続された参照セルを有するようにすることができる。各分岐の並列に接続されたセルは別々にプログラミング可能であり、それによって別の適用可能性が生じる。第１の分岐におけるセルの数が第２の分岐におけるセルの数と一致することは必要ではなく、両分岐は異なる数のセルを持つことができる。
【００１０】
本発明の発展形態によれば、第１の分岐は直列に接続された複数のデータセルを有し、第２の分岐は直列に接続された複数の参照セルを有することができる。その際、直列に接続された各データセルの各々に１つの参照セルが所属しているのが特に有利である。
【００１１】
特に有利に、論理ゲートの出力は、別のゲートを制御するためその別のゲートと接続されるか接続可能とすることができる。磁気積層系を有する従来技術において既知の論理ゲートと異なり、場合によっては本発明に従うディジタル論理ユニットにおける電流は別のゲートを制御するために十分である。何故なら並列接続の全抵抗は常に抵抗の最小のものより小さいからである。
【００１２】
本発明に従う論理ユニットの別の利点は、論理ゲートのセルが同じ読み出し電流方向を有することに見られる。それによって、TMRセルに異なる方向の電流が流れ、そのことが信号評価の際に問題になり得るという不都合が回避される。
【００１３】
本発明に従う論理ユニットにおいては、セルの抵抗が磁場パルスによって約60％まで変り得ることが特に有利である。
【００１４】
本発明の別の構成においては、第１の分岐の２つの並列抵抗が近似的に一致していてよく、その結果３値論理が作り出される。３値論理は、真、偽及び未定の状態を有する。３値論理においては、第３の状態に対する抵抗変化が低（low）（0％）と高（high）（例えば60％）との間にある。そのような論理ゲートは、ゲート関数のNOR、NAND、OR、AND、const.に対し利用することができる。
【００１５】
本発明の別の構成においては、第１の分岐の抵抗の１つは近似的に他の抵抗の5/3の大きさであり得る。この場合４値論理が作り出され、この論理は抵抗段階の高（high）、中高（medium-high）、中低（medium-low）、低（low）を含む。そのような論理ゲートは、ゲート関数のOR、var、AND、const.、NOR、NANDに対し利用することができる。
【００１６】
本発明に従う再構成可能なディジタル論理ユニットは、２値、３値、４値の任意の論理又はそれらの任意の組合せを含み得る。
【００１７】
論理ユニットはフィールドプログラミング可能な論理ユニットとして構成することができる。しかしまたそれに代えて、論理ユニットはマスクプログラミング可能な論理ユニットとして構成することもできる。
【００１８】
本発明の利点及び詳細を、以下に図面を用いて実施例について説明する。
【００１９】
図１に示す論理ユニット１はデータセル２及びそれに並列接続された参照セル３からなる。セル２、３はそれぞれ磁気積層系を有し、その磁化は加えられる磁場を介して２つの状態間に切換可能である。両状態は情報ビットとして解釈することができ、論理状態０及び１ないしL及びHを表わす。磁気抵抗はこれらの状態に依存してパーセント範囲で変化し、その結果この抵抗変化はセル内にファイルされた情報を読み出すために使用することができる。
【００２０】
データセル２は入力導線４に加えられる磁場パルスによってプログラミングすることができる。プログラミングされたセル３は再プログラミングし得るか又は一定不変の参照セルであり得る。プログラミングは不揮発性に保持され、論理ゲートの機能を決定する。
【００２１】
両セルはその最小抵抗R1ないしR2からTMR信号ストロークｍだけより高いほうの抵抗値へ切り換えることができる。それによって４つの異なる組合せが生じ、その全抵抗は次のように計算することができる。
最小抵抗（R1＝Low／R2＝Low）
Ｒges＝R1・R2／（R1＋R2）
中間状態１（R1＝Low／R2＝High）
Ｒges＝R1・(１＋m)・R2／｛R1・(１＋m)＋R2｝
中間状態２（R1＝High／R2＝Low）
Ｒges＝R1・R2・(１＋m)／｛R1＋R2・(１＋m)｝
最大抵抗（R1＝High／R2＝High）
Ｒges＝R1・R2／（R1＋R2）・(１＋m)
【００２２】
両ゲートが同じ電流（Low／Low又はHigh／High）でプログラミングされる場合には、TMR信号ストロークの外部から測定可能な変化は生ぜず、全抵抗の二等分化のみが生ずる。しかしながら中間段階によって付加の機能性が生ずる。
【００２３】
最も簡単な場合として、R2＝R1が選ばれると、同一の抵抗段階が生じる。これらの状態は特に、真、偽及び未定の状態を持つ３値論理において重要である。
【００２４】
図２は、抵抗の関数としてセルの異なる状態に対するTMR信号ストロークの線図を示す。ｘ軸上には抵抗R1及びR2の各組合せが示されている。抵抗の関数としてのパーセントのTMR信号ストロークはｙ軸上に示されている。状態のH/Hにおいて生じる最大値は20％のTMR信号ストロークに相応する。TMR信号ストロークは上昇又は増大であり、その分だけ抵抗が最小値例えばR1から出発して持ち上げられ得る。
【００２５】
中間段階の信号ストロークはこの場合9.1％の大きさである。このやり方で論理ユニットは３値論理に対し使用することができる。
【００２６】
図３は４値論理におけるTMR信号ストロークの線図である。
【００２７】
この場合抵抗R1及びR2は、互いに同じ距離を持つ４つの段階がTMR信号ストローク内に形成されるように選ぶことができる。このことはR2＝1.667R1ないしR2＝5/3R1において達せられる。図２の線図とは異なり、この場合は中間段階のH/L及びL/Hは互いに異なる。
【００２８】
従来の（２値の）、３値の及び４値の論理を一つのチップ上に組合せることによって新しい関数が生ずる。そのためそれぞれ複数の関数ゲート及び複数のプログラミングゲートを並列に接続することができる。それぞれ同じTMR信号ストロークが存在する必要はない。同じように面抵抗は決定的役割を演じない。何故なら個々のセルの面に関する特性は調整し得るからである。
【００２９】
図１に示す論理ユニット及び相応する回路は、フィールドプログラミング可能な論理によって特に良好に実現することができ、代替的に、データセル又は参照セルが必要のある場合省略されることによって、フィールドプログラミング可能な論理はマスクプログラミング可能な論理と結合することもできる。
【００３０】
原理的に、抵抗を決定するため同じ電流が流れるべきセルの配置は、個別セルの配置として相並んで、しかしまた複数の同じ機能位置を持った積層系が存在する場合は重なり合って作り上げることができる。
【００３１】
単一のセルを使用する代わりに、抵抗の平均値を形成するため複数のセルを並列に接続することができる。その際プログラミング電流又はデータ電流はすべてのセルに対し同じである。セル抵抗は直列接続又は並列接続に無関係に保持される。
【００３２】
図４は、通流する電流がすぐ次の段階の入力信号として処理される論理ユニットの一部を示す。
【００３３】
第１の論理ユニット７は、入力In1〜In4及び個々に構成可能な抵抗R1〜R4を有する参照セル又はデータセルのブロック、及び第２の論理ユニットの機能セル８を含む。セル７の出力は機能セル８に対する入力信号として用いられる。積層されたセルの場合には、通流する電流はその上又はその下にある機能層中にも導かれ得る。このやり方で、2値、３値及びさらに高い値の論理を含むより大型の論理回路を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】データセルとそれに並列の参照セルを有する本発明に従う論理ユニットの構成図である。
【図２】３値論理におけるセルの種々の状態に対するTMR信号ストロークの線図である。
【図３】４値論理におけるセルの種々の状態に対するTMR信号ストロークの線図である。
【図４】通流する電流が次の段階の入力信号として処理される本発明に従う論理ユニットの構成図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  論理ユニット
２  データセル
３  参照セル
４  入力導線
７  論理ユニット
８  機能セル
R1〜R4  抵抗
In1〜In4  入力
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2007529931.tif 000007
2007529931.tif 000008
2007529931.tif 000009
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