JP6462425B2 - パターン照合器 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、スピントルク発振素子を用いたパターン照合器に関する。

過去４０年、Ｓｉ系ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）の高集積化により半導体業界は発展してきた。しかしながら、微細化技術の経済的、工学的限界のために、ＣＭＯＳ高集積化をこのまま進めることは困難になりつつあると考えられている。そこで、トランジスタの概念にとらわれない新規デバイスを生み出そうとする“Ｂｅｙｏｎｄ ＣＭＯＳ”というコンセプトが次世代デバイス開発コンセプトの１つとして打ち出されている。

そうした方向性の中で近年、ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ(振動子、発振器)を用いてデータ（例えば、画像データ、音声データ、テキストデータなど）のパターンマッチングを行なうハードウェアを構築する試みがなされている。発振器を並列に動作させてテンプレートデータと入力データとのマッチングを照合することで、従来のソフトフェアによるパターンマッチング実装よりも高速、低消費電力でパターンマッチングを実施できると期待されている。

非特許文献１〜３には、発振器としてスピントルク発振素子（Spin-Torque Oscillator；ＳＴＯ）（Spin-Torque Nano-Oscillator；ＳＴＮＯとも称される）を用いたパターン照合器に関する技術が開示されている。ＳＴＯは、サイズが数十ナノメートル程度の微小な発振器であり、高集積化可能である。開示されているパターン照合器は、複数のＳＴＯを並列に電気的に接続し、それら複数のＳＴＯが同時に発振可能なデバイス構造を有する。デバイスからの出力は、ＳＴＯそれぞれからの出力を、平均化器（averager）を通じて合算した平均化出力である。デバイスへの入力は、入力データ（入力ベクトル）とテンプレートデータ（テンプレートベクトル）の差異であり、それによってＳＴＯの発振周波数を変調させる。入力データとテンプレートデータの差異が小さいほど、より多数のＳＴＯの発振周波数が互いに同一となり、並列動作させた際に、より多数のＳＴＯが同期振動を示す。同期の程度（Degree of synchronization）によって、マッチング度(Degree of matching)を測定する。完全同期（full synchronization）は、入力データとテンプレートデータの２つのパターンが完全に一致していることを表す。

ＳＴＯは、電流値又は外部磁場によって周波数が変調することが知られている（周波数非線形性）。開示されているパターン照合器においては、電流によるＳＴＯの発振周波数変調性が利用されている。入力データ及びテンプレートデータを共にＳＴＯに与える電圧値に割り当て、各ＳＴＯに通電する電流値を制御することによってＳＴＯの発振周波数を変調する。パターンマッチングの際には毎回、入力データ及びテンプレートデータを共に電圧値に割り当ててＳＴＯに入力する動作が必要であり、入力データ及びテンプレートデータが共に揮発性の一時的なデータとして扱われる。ところで、テンプレートデータは、所定のデータベースに格納されているデータを基にする。そのため、データベースに不揮発に存在しているデータをそのままテンプレートデータとして利用することができれば効率的である。不揮発なデータをそのまま利用できれば、特に、高速性、低消費電力化の観点から有意である。

Mehdi Kabir & Mircea Stan, "Computing with Hybrid CMOS /STO Circuits", Proceeding DAC '14 Proceedings of the The 51st Annual Design Automation Conference on Design Automation Conference, Pages 1-6. Csaba, G. & Porod, W., "Computational Study of Spin-Torque Oscillator Interactions for Non-Boolean Computing Applications", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 49, No. 7, July 2013. Tadashi Shibata , Renyuan Zhang, Steven P. Levitany, Dmitri Nikonovz and George Bourianoffz, "CMOS Supporting Circuitries for Nano-Oscillator-Based Associative Memories", Cellular Nanoscale Networks and Their Applications (CNNA), 2012 13th International Workshop on, Date of Conference: 29-31 Aug. 2012 Page(s):1 - 5.

本発明が解決しようとする課題は、テンプレートデータを不揮発に格納することができるパターン照合器を提供することである。

一実施形態に係るパターン照合器は、複数の単位セル、回路部、及び測定部を備える。単位セルは、磁化の向きが可変である第１磁性層と、第１非磁性層と、を含み、入力データを格納するために使用される第１の磁化反転素子と、磁化の向きが可変である第２磁性層と、第２非磁性層と、を含み、テンプレートデータを格納するために使用される第２の磁化反転素子と、前記第１の磁化反転素子と前記第２の磁化反転素子との間に設けられたスピントルク発振素子と、を備える。回路部は、前記複数の単位セルに接続され、前記複数の単位セルの複数のスピントルク発振素子から選択されるスピントルク発振素子に電流を流すことにより発生する高周波信号を取得する。測定部は、前記高周波信号に基づいて、前記入力データと前記テンプレートデータとのマッチング度を測定する。

第１の実施形態に係るパターン照合器を示す図。 図１に示した単位セルの１つを示す斜視図。 図２に示した磁化反転層の形状の一例を示す図。 図２に示した磁化反転層の形状の他の例を示す図。 実施形態に係るスピントルク発振素子の発振周波数の変調原理を説明する図。 第２の実施形態に係るパターン照合器を示す図。 図６に示した単位セルの１つを示す斜視図。

以下、図面を参照しながら種々の実施形態を説明する。実施形態は、スピントルク発振素子（ＳＴＯ）を用いて、テンプレートデータ（テンプレートベクトル）に対する入力データ（入力ベクトル）の類似性を評価するパターン照合器に関する。以下の実施形態では、同様の構成要素に同様の参照符号を付して、重ねての説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るパターン照合器１００を概略的に示している。パターン照合器１００は、図１に示されるように、複数の単位セル（基本ブロックともいう）１０１と、回路部１０２と、測定部１０３と、電流発生部１０４と、を備える。図１に示される例では、８個の単位セル１０１が４行２列のマトリックス状に配置されている。図２を参照すると、図１に示される単位セル１０１の１つが概略的に示されている。他の単位セル１０１は、図２に示される単位セル１０１と同様の構成を有することができる。

図２に示される単位セル１０１は、第１の磁化反転素子１１１と、ＳＴＯ１１２と、第２の磁化反転素子１１３と、ロウ方向に延在するロウ電極線１１４、１１５と、ロウ方向と交差するカラム方向に延在するカラム電極線１１６、１１７、１１８と、を含む。第１の磁化反転素子１１１、ＳＴＯ１１２、及び第２の磁化反転素子１１３は、ロウ方向に配列されている。ＳＴＯ１１２は、第１の磁化反転素子１１１と第２の磁化反転素子１１３との間に設けられている。

ＳＴＯ１１２の一端はロウ電極線１１４に接続され、その他端はカラム電極線１１７に接続されている。第１の磁化反転素子１１１の一端はロウ電極線１１４に接続され、その他端はカラム電極線１１６に接続されている。カラム電極線１１６には、第１の磁化反転素子１１１を選択するためのトランジスタ１１９が設けられている。具体的には、第１の磁化反転素子１１１がトランジスタ１１９のドレイン（又はソース）に接続され、ロウ電極線１１５がトランジスタ１１９のソース（又はドレイン）に接続され、カラム電極線１１６がトランジスタ１１９のゲートに接続されている。トランジスタ１１９のＯＮ／ＯＦＦはカラム電極線１１６によって制御される。第２の磁化反転素子１１３の一端はロウ電極線１１４に接続され、その他端はカラム電極線１１８に接続されている。カラム電極線１１８には、第２の磁化反転素子１１３を選択するためのトランジスタ１２０が設けられている。具体的には、第２の磁化反転素子１１３がトランジスタ１２０のドレイン（又はソース）に接続され、ロウ電極線１１５がトランジスタ１２０のソース（又はドレイン）に接続され、カラム電極線１１８がトランジスタ１２０のゲートに接続されている。トランジスタ１２０のＯＮ／ＯＦＦはカラム電極線１１８によって制御される。

ＳＴＯ１１２は、磁化発振層２０６と、磁性層２０８と、磁化発振層２０６と磁性層２０８との間に設けられたスペーサ層２０７と、を含む。ＳＴＯ１１２は、ロウ電極線１１４及びカラム電極線１１７を介して通電される。ＳＴＯ１１２に直流電流を流すと、磁化発振層２０６の磁化が電流値に応じた周波数で歳差運動する。具体的には、電流が磁性層２０８の磁化によってスピン偏極され、スピン偏極した電流が磁化発振層２０６の磁化２０９に作用し、それにより、磁化発振層２０６の磁化２０９の歳差運動が誘起される。この現象は、スピン注入磁化発振と呼ばれる現象である。磁化２０９の歳差運動に伴って素子抵抗が時々刻々と変化し、ＳＴＯ１１２の両端に高周波電圧が発生する。

第１の磁化反転素子１１１は、入力データ（入力ベクトル）を格納するために使用される。第１の磁化反転素子１１１は、入力データの１ビットを格納することができる。第１の磁化反転素子１１１は、磁化反転層２０１Ａと、トップ層２０３Ａと、磁化反転層２０１Ａとトップ層２０３Ａとの間に設けられた非磁性層２０２Ａと、を含む。

磁化反転層２０１Ａは面内磁化膜である。第１の磁化反転素子１１１、ＳＴＯ１１２、及び第２の磁化反転素子１１３がロウ方向に配列される本実施形態では、磁化反転層２０１Ａはロウ方向に面内磁気異方性を有する。以下では、ロウ方向において第１の磁化反転素子１１１から第２の磁化反転素子１１３へ向かう方向を右方向と呼び、これと逆の方向を左方向と呼ぶ。磁化反転層２０１Ａの磁化２０４Ａは、左方向及び右方向のいずれかを向く。磁化反転層２０１Ａは、磁化２０４Ａの向きによって表される２値のデータを保持することができる。例えば、左方向を情報“０”に対応させ、右方向を情報“１”に対応させる。

トップ層２０３Ａは、強磁性体で形成される。トップ層２０３Ａの磁化２０５Ａは、面内において所定の向きにピンされている、いわゆるピンド磁化であることが望ましい。図２に示される例では、トップ層２０３Ａの磁化２０５Ａは左方向にピンされている。トップ層２０３Ａが強磁性体で形成されるため、第１の磁化反転素子１１１は、いわゆるスピン注入ＭＲＡＭ（Spin-torque transfer Magnetoresistive Random Access Memory）セルに類似の構造を有する。

上述した構造を有する第１の磁化反転素子１１１では、第１の磁化反転素子１１１に書き込み電流を流すことにより磁化反転層２０１Ａの磁化２０４Ａを反転させることができる。第１の磁化反転素子１１１に書き込み電流を流すと、スピン偏極した電子がトップ層２０３Ａから磁化反転層２０１Ａに注入され、磁化反転層２０１Ａの磁化２０４Ａにスピントルクが作用し、それにより磁化反転層２０１Ａの磁化２０４Ａが反転する。磁化反転層２０１Ａの磁化２０３Ａがトップ層２０３Ａの磁化２０５Ａと逆の方向を向いている場合、磁化反転層２０１Ａからトップ層２０３Ａに向かう方向に書き込み電流を流すことで、磁化反転層２０１Ａの磁化２０４Ａを反転することができる。これとは逆に、磁化反転層２０１Ａの磁化２０３Ａがトップ層２０３Ａの磁化２０５Ａと同じ方向を向いている場合、トップ層２０３Ａから磁化反転層２０１Ａに向かう方向に書き込み電流を流すことで、磁化反転層２０１Ａの磁化２０３Ａを反転することができる。

第２の磁化反転素子１１３は、テンプレートデータ（テンプレートベクトル）を格納するために使用される。第２の磁化反転素子１１３は、テンプレートデータの１ビットを格納することができる。第２の磁化反転素子１１３は、第１の磁化反転素子１１１と同様の構造を有することができる。第２の磁化反転素子１１３は、磁化反転層２０１Ｂと、トップ層２０３Ｂと、磁化反転層２０１Ｂとトップ層２０３Ｂとの間に設けられた非磁性層２０２Ｂと、を含む。磁化反転層２０１Ｂ、非磁性層２０２Ｂ及びトップ層２０３Ｂはそれぞれ、上述した磁化反転層２０１Ａ、非磁性層２０２Ａ及びトップ層２０３Ａと同様であるので、重複する説明を省略する。

磁化反転層２０１Ａ、２０１Ｂは、ロウ方向に面内磁気異方性を有する。面内磁気異方性は、例えば、磁化反転層２０１Ａ、２０１Ｂの形状を調整して与えることができる。図３及び図４は、単位セル１０１を上方から見た場合の磁化反転層２０１Ａ、２０１Ｂの形状の例を示している。磁化反転層２０１Ａ、２０１Ｂは、図３に示されるように、長軸がロウ方向に平行である楕円形状に加工され、或いは、図４に示されるように、長辺がロウ方向に平行である長方形状に加工される。これにより、ロウ方向の面内磁気異方性が磁化反転層２０１Ａ、２０１Ｂに付与されている。

スピン注入ＭＲＡＭセルでは、通常、非磁性層は、素子の磁気抵抗効果比が大きくなるような材料（例えば、絶縁体であるＭｇＯなど）が用いられる。本実施形態の非磁性層２０２Ａ、２０２Ｂの材料は、スピン注入磁化反転現象が生じるようなものであればいかなる材料であってもよい。例えば、非磁性層２０２Ａ、２０２Ｂの材料として、Ｃｕ（銅）などの金属材料を用いることができる。磁化反転素子のセル構成をどのようにするのがよいかというのは、ＭＲＡＭ及びその類似技術に関わる技術者の多くがおよそ見当のつくところである。

上述したように、本実施形態に係るパターン照合器１００においては、第１の磁化反転素子１１１及び第２の磁化反転素子１１３がＳｐｉｎ−ＲＡＭと呼ばれるスピン注入ＭＲＡＭにおけるセルに類似の構造を有する。ＭＲＡＭセルは不揮発である。従って、本実施形態に係るパターン照合器１００においては、テンプレートデータが不揮発に格納される。

図１に示されるように単位セル１０１がマトリックス状に配置される場合、ロウ方向に並ぶ単位セル１０１はロウ電極線１１４、１１５を共用し、カラム方向に並ぶ単位セル１０１はカラム電極線１１６、１１７、１１８を共用することができる。図１の例では、４つのロウ電極線１１４が設けられ、各ロウ電極線１１４に２つの単位セル１０１が接続されている。これらのロウ電極線１１４は、回路部１０２に接続されている。カラム電極線１１６、１１７、１１８は２つずつ設けられ、各カラム電極線１１６に４つの第１の磁化反転素子１１１が接続され、各カラム電極線１１７に４つのＳＴＯ１１２が接続され、各カラム電極線１１８に４つの第２の磁化反転素子１１３が接続されている。カラム電極線１１７には、ＳＴＯ１１２を動作させるカラム電極線１１７を選択するためのトランジスタ１２１が設けられている。電流発生部１０４は、ロウ電極線１１４及びロウ電極線１１５に接続され、磁化反転素子（第１の磁化反転素子１１１又は第２の磁化反転素子１１３）に書き込み電流を流すための４つの双極書き込みパルス発生器１０５を含む。

回路部１０２は、複数のＳＴＯ１１２に通電し、それにより発生する高周波電圧Ｖ_ｏｕｔを取得する。回路部１０２には、直流電流Ｉ_ｄｃを供給する直流電流源１０６が接続されている。回路部１０２は、ＳＴＯ１１２を動作させるロウ電極線１１４を選択するためのトランジスタ１０７を備える。

動作させる複数のＳＴＯ１１２はトランジスタ１０７、１２１を用いて選択される。回路部１０２は、選択された複数のＳＴＯ１１２に直流電流を通電する。通電された複数のＳＴＯ１１２は、これらのＳＴＯ１１２が並列接続した並列回路を形成し、同時に発振する。入力データとテンプレートデータの差異が小さいほど、より多数のＳＴＯ１１２の発振周波数が互い同一になり、すなわち、より多数のＳＴＯ１１２が同期振動を示す。回路部１０２によって取得される高周波電圧Ｖ_ｏｕｔは、通電されたＳＴＯ１１２から出力される高周波電圧が合算された平均化出力である。高周波電圧Ｖ_ｏｕｔは、回路部１０２内のバイアスティ１０８によって取り出され、高周波信号として測定部１０３に与えられる。高周波電圧Ｖ_ｏｕｔに含まれる同期の程度（Degree of synchronization）は、回路部１０２に接続された測定部１０３によって測定される。同期の程度は、入力データとテンプレートデータのマッチング度に対応する。

各ＳＴＯ１１２の発振周波数は、それに隣接する第１の磁化反転素子１１１及び第２の磁化反転素子１１３からの漏れ磁場によって変調される。漏れ磁場の大きさは、第１の磁化反転素子１１１の磁化反転層２０１Ａの磁化２０４Ａの向きと、第２の磁化反転素子１１３の磁化反転層２０１Ｂの磁化２０４Ｂの向きと、に依存する。図５を参照して、ＳＴＯ１１２の発振周波数の変調原理を説明する。図５には、磁化反転層２０１Ａの磁化２０４Ａの向きと磁化反転層２０１Ｂの磁化２０４Ｂの向きの組み合わせが（左，左）、（左，右）、（右，左）、（右，右）の４つの場合が示されている。

（左，左）及び（右，右）は、入力ベクトルビットの磁化方向とテンプレートベクトルビットの磁化方向が一致する場合を表し、（左，右）及び（右，左）は、入力ベクトルビットの磁化方向とテンプレートベクトルビットの磁化方向が異なる（すなわち不一致である）場合を表す。ＳＴＯ１１２の磁化発振層２０６には、隣接した第１の磁化反転素子１１１の磁化反転層２０１Ａからの漏れ磁場と、隣接した第２の磁化反転素子１１３の磁化反転層２０１Ｂからの漏れ磁場と、が作用する。（左，左）又は（右，右）の場合には、２つの漏れ磁場が重ね合わさり、左方向又は右方向の磁場が磁化発振層２０６に作用する。（左，右）又は（右，左）の場合には、２つの漏れ磁場が一部或いは完全にキャンセルし、（左，左）又は（右，右）の場合よりも小さい磁場が磁化発振層２０６に作用する。ＳＴＯ１１２の発振周波数は、外部磁場の大きさに依存する。もともとＳＴＯ１１２に外部磁場が作用していない場合には，ＳＴＯ１１２の発振周波数は、（左，左）又は（右，右）の場合にｆｃとなり、（左，右）又は（右，左）の場合にｆｄとなり、入力ベクトルビットとテンプレートベクトルビットとの差異に応じた重ね合わせ漏れ磁場の大きさによって、ＳＴＯ１１２の発振周波数が定まる。もともとある大きさの外部磁場（これは例えば，磁性層２０８からの漏れ磁場）が作用していて、ベクトルビットからの漏れ磁場なしの下でＳＴＯ１１２が発振周波数ｆ０で発振する（つまり、ＳＴＯ１１２の自由発振周波数がｆ０）場合には、ＳＴＯ１１２の発振周波数は、（左，左）の場合にｆ０−Δｆｃとなり、（右，右）の場合にｆ０＋Δｆｃとなり、（左，右）の場合にｆ０−Δｆｄとなり，（右，左）の場合にｆ０＋△ｆｄとなる。△ｆｃ、△ｆｄは，入力ベクトルビットとテンプレートベクトルビットとの差異に応じた重ね合わせ漏れ磁場に伴うＳＴＯ１１２の発振周波数の変調量である。このように、入力ベクトルビットとテンプレートベクトルビットとの差異に応じた重ね合わせ漏れ磁場の大きさによって、ＳＴＯ１１２の発振周波数が定まる。なお、上で、ベクトルビットの磁化方向に対して一致、不一致という用語を用いたが、それは必ずしもデータの一致、不一致を意味しない。ベクトルビットの方向でデータをどのように表すのかはコーディングルールに依存するからである。

入力データとテンプレートデータとが完全に一致する場合（すなわち、完全パターンマッチ）、すべてのＳＴＯ１１２の発振環境が同一となり、すべてのＳＴＯ１１２が同一の周波数で発振する同期振動を示す。ＳＴＯ１１２が完全同期を示しているか部分同期を示しているかなどを判別する方法としては、既に知っているいくつもの入力データとテンプレートデータの組それぞれについて高周波信号を取得し、それらの高周波信号の特徴を特定しておく方法がある。例えば、完全同期した場合には、所定の周波数を持った、極めてコヒーレンスの高い信号Ｖ_ｏｕｔが得られる場合があり得る。信号Ｖ_ｏｕｔがそのような特徴を持っている場合には、測定部１０３の回路に、その所定の周波数の信号を選択的に透過するバンドパスフィルターを組み込んでおいて、完全同期の有無を判別することができる。

パターン照合器１００の構造は、ＳＴＯ１１２に係る部分を無視すれば、Ｓｐｉｎ−ＲＡＭと呼ばれるスピン注入ＭＲＡＭの基本構造に類似している。磁化２０４Ａ、２０４Ｂになされる書き込み動作は、トランジスタ１０７、１２１のＯＮで磁化反転素子を選択すると同時に、双極書き込みパルス発生器１０５を動作させるという形態が採用される。これは、スピン注入ＭＲＡＭでなされる書き込み動作と同一である。スピン注入ＭＲＡＭと異なるのは、読み出し動作（パターン照合）である。上述したように、本実施形態では、ＳＴＯ１１２を用いて、磁化２０４Ａ、２０４Ｂに書き込まれている入力データのビットとテンプレートデータのビットとの差異を比較する。それも、スピン注入ＭＲＡＭと異なり、多数のセルを一度に参照し、入力データとテンプレートデータの差異を比較する。

次に、パターン照合器の動作例について説明する。
まず、テンプレートデータが第２の磁化反転素子１１３に格納される。例えば、パターン照合器１００を画像認識に利用する場合、照合したい画像（例えば１万枚の画像）のデータが第２の磁化反転素子１１３に格納される。その際、画像データは所定のデータ配列ルールに従って格納されることが望ましい。例えば、画像データを３２０×２４０ピクセルデータに規格化し、画像の左上の画素から順に第２の磁化反転素子１１３に格納する。

テンプレートデータの書き込みは次のようになされる。書き込みを行なう第２の磁化反転素子１１３を選択するために、トランジスタ１２０がＯＮにされる。その状態で双極書き込みパルス発生器１０５を動作させることにより、選択された第２の磁化反転素子１１３に対してスピン注入磁化反転がなされる。磁化の向き（左方向又は右方向）は、双極書き込みパルス発生器１０５の極性で決まる。

続いて、入力データを読み込み、第１の磁化反転素子１１１に格納する。この処理を入力データのロードと呼ぶ。その際、入力データは、テンプレートデータが従うデータ配列ルールと同一のルールに従っている必要がある。また、ターゲットとするテンプレートデータの先頭アドレスに合わせて読み込み格納する必要がある。

入力データの書き込みは次のようになされる。書き込みを行なう第１の磁化反転素子１１１を選択するために、トランジスタ１１９がＯＮにされる。その状態で双極書き込みパルス発生器１０５を動作させる。その状態で双極書き込み電流発生器１０５を動作させることにより、選択された第２の磁化反転素子１１３に対してスピン注入磁化反転がなされる。磁化の向き（左方向又は右方向）は、双極書き込みパルス発生器１０５の極性で決まる。

次に、トランジスタ１０７、１２１によって選択された複数のＳＴＯ１１２を動作させ、測定部１０３を用いて、データのマッチングを判別する。この処理をマッチング判別と呼ぶ。具体的には、選択された複数のＳＴＯ１１２に直流電流が流され、測定部１０３がそれにより発生した高周波信号Ｖ_ｏｕｔに基づいて入力データとテンプレートデータとのマッチング度を測定する。

基本的な動作としては、照合したい画像（例えば１万枚の画像）それぞれに対して、入力データのロード及びマッチング判別を繰り返し実行する。

以上のように、本実施形態に係るパターン照合器１００においては、入力データが第１の磁化反転素子１１１の磁化反転層２０１Ａに保持され、テンプレートデータが第２の磁化反転素子１１３の磁化反転層２０１Ｂに保持され、磁化反転層２０１Ａ、２０１Ｂからの漏れ磁場の大きさでＳＴＯ１１２の発振周波数が制御される。磁性体の磁化の向きは不揮発であり、従って、テンプレートベクトルが不揮発に格納される。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係るパターン照合器６００を概略的に示している。パターン照合器６００は、図６に示されるように、複数の単位セル６０１と、回路部１０２と、測定部１０３と、電流発生部６０４と、電圧源６０６と、を備える。回路部１０２及び測定部１０３については、第１の実施形態で説明したので、ここでは説明を省略する。図６の例では、６つの単位セル６０１が３行２列のマトリックス状に配置されている。図７を参照すると、図６に示される単位セル６０１の１つが概略的に示されている。他の単位セル６０１は、図７に示される単位セル６０１と同様の構成を有することができる。

図７に示される単位セル６０１は、第１の磁化反転素子６１１と、ＳＴＯ１１２と、第２の磁化反転素子６１３と、ロウ方向に延在するロウ電極線１１４と、ロウ方向と交差するカラム方向に延在するカラム電極線６１６、１１７、６１８と、を含む。第１の磁化反転素子６１１、ＳＴＯ１１２、及び第２の磁化反転素子６１３は、ロウ方向に配列されている。ＳＴＯ１１２は、第１の磁化反転素子６１１と第２の磁化反転素子６１３との間に設けられている。ＳＴＯ１１２については、第１の実施形態で説明したので、ここでは説明を省略する。

ＳＴＯ１１２の一端はロウ電極線１１４に接続され、その他端はカラム電極線１１７に接続されている。第１の磁化反転素子６１１の一端はロウ電極線１１４に接続され、その他端はカラム電極線６１６に接続されている。第２の磁化反転素子６１３の一端はロウ電極線１１４に接続され、その他端はカラム電極線６１８に接続されている。

第１の磁化反転素子６１１は、入力データを格納するために使用される。第１の磁化反転素子６１１は、磁化７０４Ａの方向が可変である磁化反転層７０１Ａと、磁化反転層７０１Ａに積層され、絶縁体で形成される非磁性層７０２Ａと、を含む。磁化反転層７０１Ａは、第１の実施形態において説明した磁化反転層２０１Ａ（図２）と同様であるので、ここでの説明は適宜省略する。第１の磁化反転素子６１１の磁化反転層７０１Ａ側の面はカラム電極線６１６に接触している。

第２の磁化反転素子６１３は、テンプレートデータを格納するために使用される。第２の磁化反転素子６１３は、磁化７０４Ｂの方向が可変である磁化反転層７０１Ｂと、磁化反転層７０１Ｂに積層され、絶縁体で形成される非磁性層７０２Ｂと、を含む。磁化反転層７０１Ｂは、第１の実施形態において説明した磁化反転層２０１Ａ（図２）と同様であるので、ここでの説明は適宜省略する。第２の磁化反転素子６１３の磁化反転層７０１Ｂ側の面はカラム電極線６１８に接触している。

図６に示されるように単位セル６０１がマトリックス状に配置される場合、ロウ方向に並ぶ単位セル６０１はロウ電極線１１４を共用し、カラム方向に並ぶ単位セル６０１はカラム電極線６１６、１１７、６１８を共用することができる。図６の例では、３つのロウ電極線１１４が設けられ、各ロウ電極線１１４に２つの単位セル６０１が接続されている。これらのロウ電極線１１４は、回路部１０２に接続され、さらに、トランジスタ６０７を介して電圧源６０６に接続されている。各電圧源６０６は、対応するロウ電極線１１４に接続される単位セル６０１中の第１の磁化反転素子６１１の磁化７０４Ａ及び第２の磁化反転素子６１３の磁化７０４Ｂに電界効果を及ぼすために電圧Ｖ_Ｅを発生する。

カラム電極線６１６、１１７、６１８は２つずつ設けられ、各カラム電極線６１６に３つの第１の磁化反転素子６１１が接続され、各カラム電極線１１７に３つのＳＴＯ１１２が接続され、各カラム電極線６１８に３つの第２の磁化反転素子６１３が接続されている。カラム電極線６１６の一端は、書き込み電流を発生する双極書き込み電流発生器６０５に接続され、その他端は、トランジスタ６２２を介して接地される。カラム電極線６１８の一端は、書き込み電流を発生する双極書き込み電流発生器６０５に接続され、カラム電極線６１８の他端は、トランジスタ６２３を介して接地される。電流発生部６０４は、これらの双極書き込み電流発生器６０５を含む。カラム電極線１１７には、ＳＴＯ１１２を動作させるカラム電極線１１７を選択するためのトランジスタ１２１が設けられている。

本実施形態では、第１の磁化反転素子６１１に対する入力データの書き込み及び第２の磁化反転素子６１３に対するテンプレートデータの書き込みは、スピンホール効果及び電界効果の重ね合わせでなされる。パターン照合器６００は、ＳＴＯ１１２に係る構造部を無視すれば、スピンホールメモリと呼ばれることもあるスピン注入ＭＲＡＭの一種に類似の構造を有する。

入力データの書き込みは次のようになされる。書き込みを行なう第１の磁化反転素子６１１を選択するために、カラム電極線６１６の選択（トランジスタ６２２の動作）及びロウ電極線１１４の選択（トランジスタ６０７の動作）を行なう。その状態で双極書き込み電流発生器６０５を動作させる。同様に、テンプレートデータの書き込みは次のようになされる。書き込みを行なう第２の磁化反転素子６１３を選択するために、カラム電極線６１８の選択（トランジスタ６２３の動作）及びロウ電極線１１４の選択（トランジスタ６０７の動作）を行なう。その状態で双極書き込み電流発生器６０５を動作させる。

トランジスタ６０７の動作により、磁化反転層７０１Ａ又は磁化反転層７０１Ｂの面内磁気異方性は電界効果により低減する。その状態で双極書き込み電流発生器６０５を動作させて選択されたカラム電極線に通電することにより、磁化反転層７０１Ａの磁化７０４Ａ又は磁化反転層７０１Ｂの磁化７０４Ｂには、スピンホール効果による磁化反転がなされる。磁化の向きの左右は、双極書き込み電流発生器６０５の極性で決まる。スピンホール効果による磁化反転が効率的になされるように、カラム電極線６１６及び６１８は、スピンホール効果が大きい材料である、４ｄ遷移金属であるＲｈ又はＰｄ、或いは、５ｄ遷移金属であるＴａ又はＷ又はＲｅ又はＯｓ又はＰｔ、或いは、これらの少なくとも１つを含む合金で形成されることが望ましい。

上記の方法で書き込まれた入力データ及びテンプレートデータに対するパターン照合は、トランジスタ１０７、１２１及び回路部１０２を動作させ、選択された複数のＳＴＯ１１２を発振させることでなされる。

以上のように、第２の実施形態に係るパターン照合器は、第１の実施形態と同様に、テンプレートベクトルを不揮発に格納することができる。

上述した各実施形態では、単位セル１０１はマトリックス状に配置されている。単位セル１０１の配置はマトリックス配置に限定されない。例えば、単位セル１０１は一列に配置されていてもよい。さらに、配線パターンは、実施形態で説明した例に限定されない。例えば、回路部１０２は、カラム電極線１１７に接続されていてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００…パターン照合器、１０１…単位セル、１０２…回路部、１０３…測定部、１０４…電流発生部、１０５…双極書き込みパルス発生器、１０６…直流電流源、１０７…トランジスタ、１０８…バイアスティ、１１１，１１３…磁化反転素子、１１４，１１５…ロウ電極線、１１６，１１７，１１８…カラム電極線、１１９，１２０，１２１…トランジスタ、２０１Ａ，２０１Ｂ…磁化反転層、２０２Ａ，２０２Ｂ…非磁性層、２０３Ａ，２０３Ｂ…トップ層、２０６…磁化発振層、２０７…スペーサ層、２０８…磁性層、６００…パターン照合器、６０１…単位セル、６０４…電流発生部、６０５…双極書き込み電流発生器、６０６…電圧源、６０７…トランジスタ、６１１，６１３…磁化反転素子、６１６，６１８…カラム電極線、６２２，６２３…トランジスタ、７０１Ａ，７０１Ｂ…磁化反転層、７０２Ａ，７０２Ｂ…非磁性層。

Claims (7)

1. 磁化の向きが可変な第１磁性層と、第１非磁性層と、を含み、入力データを格納可能な第１の磁化反転素子と、
   磁化の向きが可変な第２磁性層と、第２非磁性層と、を含み、テンプレートデータを格納可能な第２の磁化反転素子と、
   前記第１の磁化反転素子と前記第２の磁化反転素子との間に設けられたスピントルク発振素子と、
   を備える単位セルと、
   前記単位セルに接続され、前記スピントルク発振素子から発生した高周波信号を受信する回路部と、
   前記高周波信号に基づいて、前記入力データと前記テンプレートデータとのマッチング度を測定する測定部と、
   を具備するパターン照合器。
2. 磁化の向きが可変な第１磁性層と、第１非磁性層と、を含み、第１のデータを格納可能な第１の磁化反転素子と、
   磁化の向きが可変な第２磁性層と、第２非磁性層と、を含み、第２のデータを格納可能な第２の磁化反転素子と、
   前記第１の磁化反転素子と前記第２の磁化反転素子との間に設けられたスピントルク発振素子と、
   を備える単位セルと、
   前記単位セルに接続され、前記スピントルク発振素子から発生した高周波信号を受信する回路部と、
   前記高周波信号に基づいて、前記第１のデータと前記第２のデータとの整合を検出する検出部と、
   を具備するパターン照合器。
3. 前記単位セルが複数配置され、
   前記複数の単位セルは、
   第１方向に延在し、前記第１の磁化反転素子、前記第２の磁化反転素子、及び前記スピントルク発振素子に接続される第１電極線と、
   前記第１方向と異なる第２方向に延在し、前記第１の磁化反転素子に接続される第２電極線と、
   前記第２方向に延在し、前記スピントルク発振素子に接続される第３電極線と、
   前記第２方向に延在し、前記第２の磁化反転素子に接続される第４電極線と、
   をさらに備える、請求項１又は２に記載のパターン照合器。
4. 前記第１磁性層及び前記第２磁性層は、前記第１方向に面内磁気異方性を有する、請求項３に記載のパターン照合器。
5. 前記第１の磁化反転素子は、強磁性体を含む第１トップ層をさらに含み、前記第１非磁性層は、前記第１磁性層と前記第１トップ層との間に設けられ、
   前記第２の磁化反転素子は、強磁性体を含む第２トップ層をさらに含み、前記第２非磁性層は、前記第２磁性層と前記第２トップ層との間に設けられ、
   前記複数の単位セルに接続され、前記複数の単位セルの複数の第１の磁化反転素子及び複数の第２の磁化反転素子から選択される磁化反転素子に電流を供給する電流供給部をさらに具備する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のパターン照合器。
6. 前記第１非磁性層は、絶縁体を含み、
   前記第２非磁性層は、絶縁体を含み、
   前記第２電極線は、前記第１の磁化反転素子の前記第１磁性層側の面に接続され、
   前記第４電極線は、前記第２の磁化反転素子の前記第２磁性層側の面に接続され、
   前記第２電極線及び前記第４電極線に接続され、前記複数の単位セルの複数の第１の磁化反転素子及び複数の第２の磁化反転素子から選択される磁化反転素子に電流を供給する電流供給部をさらに具備する、請求項３又は４に記載のパターン照合器。
7. 前記複数の単位セルはマトリックス状に配置される、請求項３乃至６のいずれか一項に記載のパターン照合器。