Классические компьютеры используют двоичные значения (0/1) для расчетов. Напротив, наши мозговые клетки могут использовать больше энергии для работы, что делает их более энергоэффективными, чем компьютеры. Вот почему ученые проявляют интерес к нейроморфным (мозгоподобным) вычислениям. Физики из Университета Гронингена (Нидерланды) использовали сложный оксид для создания элементов, сравнимых с нейронами и синапсами в мозге, используя спины — магнитные свойства электронов. Результаты исследования были опубликованы 18 мая в журнале Frontiers in Nanotechnology.
Хотя компьютеры могут выполнять простые вычисления гораздо быстрее, чем люди, наш мозг превосходит кремниевые машины в таких задачах, как распознавание объектов. Кроме того, человеческий мозг потребляет меньше энергии, чем компьютеры. Отчасти это можно объяснить тем, как он работает: в то время как компьютер использует двоичную систему (со значениями 0 или 1), клетки мозга могут выдавать больше аналоговых сигналов с диапазоном значений.
Тонкие пленки
Работа нашего мозга может быть смоделирована в компьютерах, но базовая архитектура все еще опирается на двоичную систему. Именно поэтому ученые ищут способы расширить это, создавая аппаратное обеспечение, которое больше похоже на мозг, но также будет взаимодействовать с обычными компьютерами. «Одна из идей состоит в том, чтобы создать магнитные биты, которые могут иметь промежуточные состояния», — говорит Тамалика Банерджи (Tamalika Banerjee), профессор спинтроники функциональных материалов в Институте перспективных материалов Цернике Университета Гронингена. Она работает в области спинтроники, которая использует магнитное свойство электронов, называемое «спин», для передачи, манипулирования и хранения информации.
В этом исследовании ее аспирант Анук Гуссенс (Anouk Goossens), первый автор статьи, создала тонкие пленки ферромагнитного металла (оксид стронция-рутената, SRO), выращенные на подложке из оксида титаната стронция. Полученная тонкая пленка содержала магнитные домены, которые были перпендикулярны плоскости пленки. «Они могут переключаться более эффективно, чем плоские магнитные домены», — объясняет Гуссенс. Адаптируя условия роста, можно управлять ориентацией кристаллов в СРО. Ранее внеплоскостные магнитные домены изготавливались с использованием других методов, но они обычно требуют сложных слоистых структур.
Магнитная анизотропия
Магнитные домены могут переключаться с помощью тока через платиновый электрод поверх СРО. Как поясняет г-жа Гуссенс: «Когда магнитные домены ориентированы идеально перпендикулярно пленке, это переключение детерминировано: весь домен будет переключаться». Однако когда магнитные домены слегка наклонены, ответ вероятностный: не все домены одинаковы, и промежуточные значения возникают, если переключилась только часть кристаллов в домене.
Выбирая варианты подложки, на которой выращивается СРО, ученые могут контролировать ее магнитную анизотропию. Это позволяет им производить два различных спинтронных устройства. «Эта магнитная анизотропия — именно то, что мы хотели, — сообщает г-жа Гуссенс. — Вероятностное переключение сравнивается с тем, как функционируют нейроны, в то время как детерминированное переключение больше похоже на синапс».
Ученые предполагают, что в будущем подобное мозгу компьютерное оборудование может быть создано путем объединения этих различных доменов в спинтронное устройство, которое может быть подключено к стандартным схемам на основе кремния. Кроме того, вероятностная коммутация также позволила бы использовать стохастические вычисления, перспективную технологию, которая представляет непрерывные значения потоками случайных битов. Г-жа Банерджи уверена: «Мы нашли способ контролировать промежуточные состояния не только для памяти, но и для вычислений».
Источник: https://www.sciencedaily.com/releases/2021/05/210518114141.htm
Материалы предоставлены Университетом Гронингена.
Ссылка на журнал:
- А. С. Гуссенс, М. А. Т. Лейвиска, Т. Банерджи. Анизотропия и токовое управление намагниченностью в гетероструктурах SrRuO3/SrTiO3 для спин-мемристоров. Границы в нанотехнологиях, 2021; 3 DOI: 10.3389/fnano.2021.680468