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Dokumentenidentifikation DE102004012531B4 28.12.2006
Titel Rekonfigurierbare digitale Logikeinheit
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Bangert, Joachim, Dr., 91052 Erlangen, DE
DE-Anmeldedatum 15.03.2004
DE-Aktenzeichen 102004012531
Offenlegungstag 13.10.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.12.2006
IPC-Hauptklasse H03K 19/18(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G11C 11/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine rekonfigurierbare digitale Logikeinheit mit wenigstens einem Logikgatter mit ein magnetisches Schichtsystem aufweisenden Zellen, deren Widerstand durch Magnetfeldpulse veränderbar ist.

Derartige Zellen ermöglichen die Speicherung von Informationen auf magnetischer Basis. Die Magnetisierung einer Schicht des magnetischen Schichtsystems kann durch einen Magnetfeldpuls geändert werden, so dass sich der Magnetowiderstand dieser Schichtstruktur um einige Prozent ändert. Der jeweilige Widerstand kann ausgelesen werden und ist ein Maß für den logischen Zustand der Zelle.

Allerdings sind die Anwendungsmöglichkeiten derartiger digitaler Logikeinheiten bisher stark eingeschränkt. Eines der praktischen Probleme besteht darin, dass der TMR-Widerstand (Tunnel Magneto Resistive) vor allem von der gewählten Stromrichtung abhängt. Möglicherweise sind unterschiedliche Materialien auf den beiden Barrierenseiten die Ursache dafür.

Aus der US 6 542 000 B1 ist eine programmierbare Anordnung mit einem Gatter bekannt, bei der ein Schalter zum Kurzschließen äußerer Anschlüsse vorhanden ist. Bei Kurzschluss hat das Gatter keine Funktionalität, so dass der dort vorhandene Kurzschlussschalter nichts mit der Rekonfigurierbarkeit der Logikeinheit zu tun hat.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine rekonfigurierbare digitale Logikeinheit zu schaffen, bei der die Lesestromrichtung für alle Zellen gleich ist.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gemäß der Erfindung ist bei einer an sich bekannten rekonfigurierbaren digitalen Logikeinheit mit parallel geschalteten Leitungszweigen vorgesehen, dass der erste Leitungszweig wenigstens zwei parallel geschaltete Datenzellen aufweist.

Der erste Leitungszweig des Logikgatters der erfindungsgemäßen rekonfigurierbaren digitalen Logikeinheit umfasst wenigstens eine Datenzelle, die durch Magnetfeldpulse programmiert werden kann, indem der Widerstand der Datenzelle durch Anlegen von Magnetfeldpulsen geändert werden kann. Der Unterschied zwischen den beiden einstellbaren Zuständen wird als TMR-Signalhub bezeichnet. Die in dem parallelen, zweiten Leitungszweig angeordnete Referenzzelle ist ebenfalls eine TMR-Zelle mit einem magnetischen Schichtsystem. Die Referenzzelle kann eine vorprogrammierte Zelle sein, es kann sich jedoch auch um eine reprogrammierbare Zelle handeln. In beiden Fällen bleibt die jeweilige Programmierung nicht flüchtig erhalten und bestimmt die Funktion des Logikgatters. Erfindungsgemäß ist ein Mittel zum Bewerten der Widerstände des ersten und zweiten Leitungszweigs vorgesehen sein. Diese Widerstände sind ein Maß für den logischen Zustand des Logikgatters.

Das Mittel zum Bewerten der Widerstände des ersten und zweiten Leitungszweigs kann als Komparator ausgebildet sein. In diesem Fall werden die Widerstände der beiden Leitungszweige einzeln bewertet.

Alternativ kann es bei der erfindungsgemäßen Logikeinheit vorgesehen sein, dass das Mittel als Parallelschaltung des ersten und zweiten Leitungszweiges ausgebildet ist und der Gesamtwiderstand der Parallelschaltung bewertbar ist. Bei dieser Variante der Erfindung werden die Widerstände gemeinsam bewertet. Die Parallelschaltung bewirkt, dass die Referenzzellen den TMR-Signalhub des Logikgatters beeinflussen.

Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen rekonfigurierbaren digitalen Logikeinheit kann es vorgesehen sein, dass der zweite Leitungszweig wenigstens zwei parallel geschaltete Referenzzellen aufweist. Die parallel geschalteten Zellen eines jeden Leitungszweigs können separat programmierbar sein, wodurch sich weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben. Es ist nicht erforderlich, dass die Anzahl der Zellen in dem ersten Leitungszweig mit der Anzahl der Zellen in dem zweiten Leitungszweig übereinstimmt, sondern die beiden Leitungszweige können eine unterschiedliche Anzahl von Zellen aufweisen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der erste Leitungszweig mehrere in Reihe geschaltete Datenzellen und der zweite Leitungszweig mehrere in Reihe geschaltete Referenzzellen aufweisen. Dabei wird es besonders bevorzugt, dass jeder in Reihe geschalteten Datenzelle eine Referenzzelle zugeordnet ist.

Mit besonderem Vorteil kann der Ausgang eines Logikgatters mit einem weiteren Gatter verbunden oder verbindbar sein, um dieses anzusteuern. Anders als bei im Stand der Technik bekannten Logikgattern mit magnetischen Schichtsystemen reicht gegebenenfalls der Strom bei der erfindungsgemäßen digitalen Logikeinheit um ein weiteres Gatter anzusteuern, da der Gesamtwiderstand der Parallelschaltung stets kleiner als der kleinste der Widerstände ist.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßem Logikeinheit ist darin zu sehen, dass die Zellen des Logikgatters dieselbe Lesestromrichtung aufweisen. Dadurch wird der Nachteil vermieden, dass TMR-Zellen in unterschiedlichen Richtungen vom Strom durchflossen werden, was zu Problemen bei der Signalauswertung führen kann.

Bei der erfindungsgemäßen Logikeinheit wird es besonders bevorzugt, dass der Widerstand einer Zelle durch Magnetfeldpulse um bis zu etwa 60 % veränderbar ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die zwei parallelen Widerstände des ersten Leitungszweigs näherungsweise übereinstimmen, so dass eine dreiwertige Logik geschaffen wird. Die dreiwertige Logik besitzt die Zustände wahr, falsch und indifferent. Bei dreiwertiger Logik wird es besonders bevorzugt, dass die Widerstandsänderung für den dritten Zustand zwischen low (0 %) und high (z.B. 60 %) liegt. Ein derartiges Logikgatter kann für die Gatterfunktionen NOR, NAND, OR, AND, const. eingesetzt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann einer der Widerstände des ersten Leitungszweigs näherungsweise 5/3 des anderen Widerstands betragen. In diesem Fall wird eine vierwertige Logik geschaffen, die die Widerstandsstufen high, medium-high, medium-low, low umfasst. Ein derartiges Logikgatter kann für die Gatterfunktionen OR, var, AND, const., NOR, NAND eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäße rekonfigurierbare digitale Logikeinheit kann Logikgatter in zweiwertiger und/oder dreiwertiger und/oder vierwertiger Logik umfassen.

Die Logikeinheit kann als feldprogrammierbare Logikeinheit ausgebildet sein, alternativ ist es jedoch auch möglich, dass sie als maskenprogrammierbare Logikeinheit ausgebildet ist.

Weitere Vorteile und Einheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Dabei zeigt:

1 eine erfindungsgemäße Logikeinheit mit einer Datenzelle und einer dazu parallelen Referenzzelle;

2 ein Diagramm des TMR-Signalhubs für die verschiedenen Zustände der Zellen bei dreiwertiger Logik;

3 ein Diagramm des TMR-Signalhubs bei vierwertiger Logik; und

4 eine erfindungsgemäße Logikeinheit, bei der der durchfließende Strom als Eingangssignal der nächsten Stufe weiter verarbeitet wird.

Die in 1 gezeigte Logikeinheit 1 besteht aus einer Datenzelle 2 und einer parallel dazu geschalteten Referenzzelle 3. Die Zellen 2, 3 weisen jeweils ein magnetisches Schichtsystem auf, dessen Magnetisierung über ein angelegtes magnetisches Feld zwischen zwei Zuständen umgeschaltet werden kann. Die beiden Zustände können als Informationsbit interpretiert werden und stellen die logischen Zustände 0 und 1 bzw. Low und High dar. Der Magnetowiderstand ändert sich in Abhängigkeit dieser Zustände im Prozentbereich, so dass die Widerstandsänderung zum Auslesen von in der Zelle abgelegten Informationen verwendet werden kann.

Die Datenzelle 2 kann durch einen Magnetfeldpuls, der an die Eingangsleitung 4 angelegt wird, programmiert werden. Die programmierte Zelle 3 kann entweder reprogrammierbar oder eine konstante Referenzzelle sein. Die Programmierung bleibt nicht flüchtig erhalten und bestimmt die Funktionen des Logikgatters.

Beide Zellen lassen sich von ihrem minimalen Widerstand R1 bzw. R2 um den TMR-Signalhub m in einen höheren Widerstandswert umschalten. Dadurch ergeben sich vier verschiedene Kombinationen, deren Gesamtwiderstand wie folgt berechnet werden kann:

minimaler Widerstand (R1 = Low/R2 = Low) Zwischenzustand 1 (R1 = Low/R2 = High) Zwischenzustand 2 (R1 = High/R2 = Low) maximaler Widerstand (R1 = High/R2 = High)

Wenn beide Gatter mit dem gleichen Strom (Low/Low oder High/High) programmiert werden, ergibt sich keine von außen messbare Änderung des TMR-Signalhubs, sondern nur eine Halbierung des Gesamtwiderstands. Durch die Zwischenstufen ergeben sich jedoch zusätzliche Funktionalitäten.

Im einfachsten Fall, wenn R2 = R1 gewählt wird, ergeben sich identische Widerstandsstufen. Diese Zustände sind insbesondere bei dreiwertiger Logik mit den Zuständen wahr, falsch und indifferent von Bedeutung.

2 zeigt ein Diagramm des TMR-Signalhubs für die verschiedenen Zustände der Zellen als Funktion der Widerstände. Auf der X-Achse sind die jeweiligen Kombinationen der Widerstände R1 und R2 dargestellt. Der prozentuale TMR-Signalhub als Funktion der Widerstände ist auf der Y-Achse dargestellt. Der Maximalwert, der sich bei dem Zustand H/H ergibt, entspricht einem TMR-Signalhub von 20 %. Der TMR-Signalhub ist der Anstieg oder Zuwachs, um den der Widerstand ausgehend von dem minimalen Widerstand, z.B. R1, angehoben werden kann.

Der Signalhub der Zwischenstufen beträgt in diesem Fall 9,1 %. Auf diese Weise kann die Logikeinheit für dreiwertige Logik eingesetzt werden.

3 ist ein Diagramm des TMR-Signalhubs bei vierwertiger Logik.

In diesem Fall können die Widerstände R1 und R2 so gewählt werden, dass sich vier Stufen im TMR-Signalhub ausbilden, die den gleichen Abstand zueinander haben. Dieses wird bei R2 = 1,667 R1 bzw. R2 = 5/3 R1 erreicht. Anders als in dem Diagramm von 2 unterscheiden sich nun die Zwischenstufen H/L und L/H voneinander.

Neue Funktionen ergeben sich durch die Kombinationen herkömmlicher (zweiwertiger), dreiwertiger und vierwertiger Logik auf einem Chip. Dazu können jeweils mehrere Funktionsgatter und mehrere Programmiergatter parallel geschaltet werden. Es ist nicht erforderlich, dass jeweils der gleiche TMR-Signalhub vorhanden ist. Ebenso spielt der Flächenwiderstand keine entscheidende Rolle, da die Eigenschaften über die Fläche der einzelnen Zellen eingestellt werden können.

Die in 1 gezeigte Logikeinheit und entsprechende Schaltungen lassen sich besonders gut mit feldprogrammierbarer Logik verwirklichen, alternativ kann die feldprogrammierbare Logik auch mit der maskenprogrammierbaren Logik verknüpft werden, indem Daten- oder Referenzzellen bei Bedarf weggelassen werden.

Grundsätzlich kann die Anordnung der Zellen, durch die der gleiche Strom zur Bestimmung des Widerstands fließen soll, als Anordnung von Einzelzellen nebeneinander, aber auch übereinander ausgeführt werden, wenn ein Schichtsystem mit mehreren identischen Funktionslagen vorliegt.

Anstelle der Verwendung einer einzigen Zelle können mehrere Zellen parallel geschaltet werden, um einen Mittelwert der Widerstände zu bilden. Dabei ist der Programmier- oder Datenstrom für alle Zellen gleich. Der Zellwiderstand bleibt unabhängig von der Reihen- oder Parallelschaltung erhalten.

4 zeigt Teile einer Logikeinheit, bei der der durchfließende Strom als Eingangssignal der nächsten Stufe weiterverarbeitet wird.

Die erste Logikeinheit 7 umfasst einen Block von Referenz- oder Datenzellen mit Eingängen In1 – In4 und Widerständen R1 – R4, die einzeln konfigurierbar sind und Funktionszellen 8 einer zweiten Logikeinheit. Der Ausgang der Zellen 7 dient als Eingangssignal für die Funktionszellen 8. Bei geschichteten Zellen kann der durchfließende Strom auch in darüber oder darunter liegende Funktionslagen geführt werden. Auf diese Weise lassen sich größere Logikschaltungen realisieren, die zweiwertige, dreiwertige und höherwertige Logik umfassen.


Anspruch[de]
Rekonfigurierbare digitale Logikeinheit mit wenigstens einem Logikgatter mit ein magnetisches Schichtsystem aufweisenden Zellen, deren Widerstand durch Magnetfeldpulse veränderbar ist, welches Logikgatter einen ersten Leitungszweig mit wenigstens zwei parallel geschalteten Datenzellen und einen parallel dazu geschalteten zweiten Leitungszweig mit wenigstens einer Referenzzelle sowie ein Mittel zum Bewerten der ein Maß für den logischen Zustand des Logikgatters darstellenden Widerstände des ersten und zweiten Leitungszweigs umfasst, wobei sich entsprechende Enden des ersten und des zweiten Leitungszweiges jeweils an einem gemeinsamen Schaltungsknoten zusammengeführt sind. Rekonfigurierbare digitale Logikeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Bewerten der Widerstände des ersten und zweiten Leitungszweigs als Komparator ausgebildet ist. Rekonfigurierbare digitale Logikeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertung der Widerstände der parallel geschalteten ersten und zweiten Leitungszweige anhand des Gesamtwiderstands der Parallelschaltung erfolgt. Rekonfigurierbare digitale Logikeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Leitungszweig wenigstens zwei parallel geschaltete Referenzzellen (3) aufweist. Rekonfigurierbare digitale Logikeinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Anzahl der Zellen in dem ersten Leitungszweig von der Anzahl der Zellen in dem zweiten Leitungszweig unterscheidet. Rekonfigurierbare digitale Logikeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Leitungszweig in Reihe und/oder parallel geschaltete Zellen aufweisen. Rekonfigurierbare digitale Logikeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang eines Logikgatters, das vorzugsweise eine Datenzelle und eine parallel geschaltete Referenzzelle aufweist, mit einem weiteren Gatter verbunden oder verbindbar ist um dieses anzusteuern. Rekonfigurierbare digitale Logikeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (7) des Logikgatters dieselbe Lesestromrichtung aufweisen. Rekonfigurierbare digitale Logikeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand einer Zelle (2, 3) durch Magnetfeldpulse um bis zu 60 % veränderbar ist. Rekonfigurierbare digitale Logikeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schaffung einer dreiwertigen Logik die Widerstände in einem Leitungszweig näherungsweise übereinstimmen und die Widerstandsänderung von dem Low-Wert auf den unterhalb des High-Werts liegenden Zwischenwert der dreiwertigen Logik vorzugsweise näherungsweise die Hälfte der Widerstandsänderung vom Low-Wert zum High-Wert beträgt. Rekonfigurierbare digitale Logikeinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Logikgatter die Widerstandsstufen high, medium und low umfasst. Rekonfigurierbare digitale Logikeinheit nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Logikgatter für eine der folgenden Gatterfunktionen einsetzbar ist: NOR, NAND, OR, AND, const. Rekonfigurierbare digitale Logikeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schaffung einer vierwertigen Logik der Widerstand des ersten Leitungszweigs näherungsweise 5/3 des Widerstands des zweiten Leitungszweigs entspricht. Rekonfigurierbare digitale Logikeinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Logikgatter die Widerstandsstufen high, medium-high, medium-low und low umfasst. Rekonfigurierbare digitale Logikeinheit nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Logikgatter für eine der folgenden Gatterfunktionen einsetzbar ist: OR, var, AND, const, NOR, NAND. Rekonfigurierbare digitale Logikeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinheit Logikgatter in zweiwertiger und/oder dreiwertiger und/oder vierwertiger Logik umfasst. Rekonfigurierbare digitale Logikeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikeinheit als feldprogrammierbare Logikeinheit ausgebildet ist. Rekonfigurierbare digitale Logikeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie als maskenprogrammierbare Logikeinheit ausgebildet ist. Rekonfigurierbare digitale Logikeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die das magnetische Schichtsystem aufweisenden Zellen nebeneinander oder übereinander angeordnet sind.






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