基于VGSOT-MTJ/CNTFET混合集成的高安全能效TRNG与非易失SRAM设计

本文创新性地提出采用电压控制自旋轨道矩磁隧道结（VGSOT-MTJ）与碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）混合集成的非易失静态随机存储器（NV-SRAM）设计方案。通过电压控制磁各向异性（VCMA）效应降低临界电流，结合面内交换偏置场（HEX）实现无外磁场稳定操作，所构建的真随机数发生器（TRNG）通过NIST统计测试，熵值达0.99999，为片上系统（SoC）提供兼具高安全性、低功耗与非易失特性的硬件解决方案。

亮点聚焦

本文的核心贡献可归纳如下：

• 提出采用VGSOT-MTJ与CMOS/CNTFET混合集成的创新性非易失SRAM（NV-SRAM）设计，兼具低功耗与高速特性，适用于新一代片上系统（SoC）架构

• 建立并验证VGSOT-MTJ的Verilog-A电学模型，实现与Cadence Virtuoso的精准协同仿真

• 优化VGSOT-MTJ材料与几何参数，确保其与CMOS/CNTFET数字电路的兼容性

• 通过瞬态仿真验证VGSOT-MTJ/CNTFET-NV-SRAM在四种工作模式下的准确功能

• 系统分析读写静态噪声容限（RSNM/WSNM）、保持静态噪声容限（HSNM）、功耗、延时等关键指标

• 与传统6T-SRAM及先进NV-SRAM对比显示：VGSOT-MTJ/CMOS版本功耗降低82.75%，VGSOT-MTJ/CNTFET版本功耗降低77.12%

• 蝶形曲线分析证实低压环境下静态噪声容限（SNM）显著提升

• 成功绘制两种NV-SRAM版图并评估面积占用

• 基于VGSOT-MTJ/CNTFET-NV-SRAM构建真随机数发生器（TRNG），香农熵与最小熵分别达0.99999/0.99001

• 通过NIST统计测试验证TRNG生成比特的随机性

性能解析

本节通过瞬态/直流响应与性能指标对比，展现新型NV-SRAM的卓越特性。图8所示瞬态响应精准呈现四种工作模式，而Q/QB节点的直流响应为读写保持状态的静态噪声容限（SNM）评估提供依据。

结论展望

本研究成功演示VGSOT-MTJ与CMOS/CNTFET融合的非易失SRAM设计。VCMA效应与H_EX场保障低压磁态稳定，断电时通过VGSOT-MTJ反馈机制实现非易失存储。该设计兼具高速、低功耗、高稳定性与强噪声免疫等优势，为下一代安全嵌入式系统提供理想硬件平台。