Spintronics based magnetic random-access memory (MRAM) offers nonvolatility, good scalability, high access speed, and low-power benefits over conventional complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) based memories such as dynamic random-access memory (DRAM) and static random-access memory (SRAM). Various structures including spin-transfer torque (STT), spin-orbit torque (SOT), and differential spin hall effect (DSHE) have been explored to improve scalability, power consumption, and access speed of the MRAM devices. Multilevel cells (MLCs) have been constructed using these structures to boost the storage capacity of the MRAM. This work proposes parallel DSHE (p-DSHE) and parallel SOT and STT based MRAM cell designs that can store 4-bits per cell, therefore, named as a four-level cell (FLC). p-DSHE based FLC uses pure SOT phenomena to write the MRAM cell while parallel SOT and STT based FLC utilizes both STT and SOT schemes. Both the designs are 62% area-efficient in comparison to SOT based 1-bit MRAM. Moreover, compared to STT based 3-bit MLC, p-DSHE based FLC is 97% and 59% more efficient in terms of energy and latency, while SOT and STT based FLC shows 63% and 39% reduction in energy and latency, respectively. Owing to these advantages, the proposed FLC designs can prove promising candidates for high-density memory applications.

中文翻译：

---

用于高密度应用的基于 SOT 和 STT 的四位并行 MRAM 单元

基于自旋电子学的磁性随机存取存储器 (MRAM) 提供非易失性、良好的可扩展性、高访问速度和低功耗优势，优于基于传统互补金属氧化物半导体 (CMOS) 的存储器，例如动态随机存取存储器 (DRAM) 和静态随机存取存储器 (SRAM)。已经探索了包括自旋转移扭矩 (STT)、自旋轨道扭矩 (SOT) 和微分自旋霍尔效应 (DSHE) 在内的各种结构，以提高 MRAM 设备的可扩展性、功耗和访问速度。已经使用这些结构构建了多级单元 (MLC)，以提高 MRAM 的存储容量。这项工作提出了基于并行 DSHE (p-DSHE) 和并行 SOT 和 STT 的 MRAM 单元设计，每个单元可以存储 4 位，因此，称为四级单元 (FLC)。基于 p-DSHE 的 FLC 使用纯 SOT 现象来写入 MRAM 单元，而基于并行 SOT 和 STT 的 FLC 使用 STT 和 SOT 方案。与基于 SOT 的 1 位 MRAM 相比，这两种设计的面积效率均为 62%。此外，与基于 STT 的 3 位 MLC 相比，基于 p-DSHE 的 FLC 在能量和延迟方面的效率分别提高了 97% 和 59%，而基于 SOT 和 STT 的 FLC 的能量和延迟分别降低了 63% 和 39% . 由于这些优势，所提出的 FLC 设计可以证明是高密度存储器应用的有希望的候选者。而基于 SOT 和 STT 的 FLC 分别显示能量和延迟降低 63% 和 39%。由于这些优势，所提出的 FLC 设计可以证明是高密度存储器应用的有希望的候选者。而基于 SOT 和 STT 的 FLC 分别显示能量和延迟降低 63% 和 39%。由于这些优势，所提出的 FLC 设计可以证明是高密度存储器应用的有希望的候选者。