Spintronics for Energy- Efficient Computing: An Overview and Outlook

磁阻随机存取存储器 自旋电子学 瓶颈 计算机科学 高效能源利用 电气工程 嵌入式系统 工程类 计算机硬件 随机存取存储器 物理 量子力学 铁磁性
作者
Zongxia Guo,Jialiang Yin,Yue Bai,Daoqian Zhu,Kewen Shi,Gefei Wang,Kaihua Cao,Weisheng Zhao
出处
期刊:Proceedings of the IEEE [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:109 (8): 1398-1417 被引量:278
标识
DOI:10.1109/jproc.2021.3084997
摘要

From the discovery of giant magnetoresistance (GMR) to tunnel magnetoresistance (TMR), their subsequent application in large capacity hard disk drives (HDDs) greatly speeded up the information era over the past decades. However, the growing demand for big-data storage and processing is limited by the von-Neumann architecture due to the memory bottleneck and power dissipation. Taking advantage of nonvolatility, high speed, and low power, magnetic random access memory (MRAM) becomes a promising candidate to overcome this limitation through processing-in-memory (PIM) architectures. In this article, we provide an overview of existing technology and give a roadmap of spintronic devices for future energy-efficient computing and its relevant integration architectures. We begin with the fundamentals of Toggle-MRAM and spin-transfer torque (STT)-MRAM, which already have commercial applications. We then introduce spin-orbit torque (SOT), a critical mechanism to realize low-power data manipulation in the next generation of MRAM and summarize the recent experimental breakthroughs of field-free SOT switching schemes. Finally, we present MRAM-based PIM architectures and novel spintronic devices, provide an application outlook, and deliver the future development potential of energy-efficient computing systems.
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