In einer Zeit, in der der rasante Aufschwung der künstlichen Intelligenz mit exponentiell steigenden Energiekosten einhergeht, besteht ein vielversprechender Ansatz darin, thermisches Rauschen bei Raumtemperatur als ultra-sparsame Rechenressource zu nutzen.
Diese Strategie, die die Biologie im Gehirn bereits zu nutzen scheint – wo Rauschen Neuronen beim Erkunden und Entscheiden helfen soll – hat Forscher dazu veranlasst, verrauschte Nanokomponenten zu entwickeln, die in für Berechnungen dedizierten Elektronikchips Neuronen emulieren können. Zu diesem Zweck wurden magnetische Speicher-Nanoneuronen entwickelt: superparamagnetische Tunnelkontakte (SMTJs).
Die
SMTJs bestehen aus einer freien magnetischen Schicht und einer festen magnetischen Schicht, die durch einen Isolator getrennt sind. Die relative Ausrichtung der Magnetisierung in diesen Schichten, parallel oder antiparallel, entspricht zwei metastabilen Zuständen, die durch eine Energiebarriere getrennt sind.
In dieser Studie ermöglicht das spezifische Design, dass die SMTJs gegenüber dem Umgebungs-Thermischen Rauschen sehr empfindlich sind, im Gegensatz zu herkömmlichen Anwendungen (Speicher und Sensoren). Tatsächlich können einfache thermische Fluktuationen die Magnetisierung der freien Schicht zufällig umkehren. So reagieren diese SMTJs wie stochastische binäre Neuronen, deren Vorteil darin besteht, sehr wenig Energie zu verbrauchen. Je kürzer die durchschnittliche Wartezeit zwischen den magnetischen Ummagnetisierungen ist, desto höher ist die Rechengeschwindigkeit.
Ein Team des
CEA-Irig/SPINTEC hat experimentell Wartezeiten zwischen Magnetisierungsumkehrungen in superparamagnetischen Tunnelkontakten mit senkrechter Magnetisierung und miniaturisiert auf 50 nm Durchmesser nachgewiesen, die rein durch thermische Fluktuationen induziert wurden. Die Messung erfordert sehr schwache Ströme, um die Orientierungsänderungen der freien magnetischen Schicht im Bereich weniger Nanosekunden beobachten zu können, eine Zeitskala, die in diesen Systemen bisher nie beobachtet wurde.
(a) Schema eines magnetischen Tunnelkontakts. Die freie Schicht kann parallel (P) zur festen Schicht (grün) oder antiparallel (AP) (violett) sein.
(b) Zeitlicher Verlauf der Spannung in einer SMTJ, der die Wartezeiten zwischen den Ummagnetisierungen im Bereich weniger Nanosekunden zwischen den Zuständen P (-2 mV) und AP (+2 mV) zeigt.
(c) Schema der Energielandschaft, die mit der Magnetisierungsumkehr verbunden ist.
© CEA
Die so gemessenen durchschnittlichen Wartezeiten liegen weit unter den Vorhersagen der üblichen Modelle, was die Forscher theoretisch auf einen bedeutenden Beitrag der Entropie zurückführen, die die Wahrscheinlichkeit erhöht, die Energiebarriere zwischen den magnetischen Zuständen der SMTJ zu überwinden. Die Entropie spiegelt die Anzahl der für das System zugänglichen magnetischen Konfigurationen wider.
In SMTJs mit senkrechter Magnetisierung sind die Zwischenzustände, in denen sich die Magnetisierung allmählich von der parallelen zur antiparallelen Orientierung umkehrt (und umgekehrt), zahlreich. Dies trägt zu einer großen Entropie bei, indem es die Anzahl der verschiedenen Möglichkeiten erhöht, zwischen den Zuständen zu wechseln.
Unter dem Einfluss der thermischen Energie allein schalten senkrechte magnetische Tunnelkontakte mit einem Durchmesser von nur wenigen zehn Nanometern zufällig von einem Zustand in den anderen, mit ultra-kurzen durchschnittlichen Wartezeiten in der Größenordnung von Nanosekunden.
Indem diese Fluktuationen als Mechanismus für die Magnetisierungsumkehr genutzt werden, ebnet diese Arbeit den Weg für die Implementierung stochastischer Elemente für neuromorphes Rechnen mit sehr geringem Energieverbrauch.
Quelle: CEA IRIG