Neuronit ja synapsit samalla materiaalilla

Ehdotus materiaalirakenteesta neuromorfisille spintronisille memristoreille. Kirjoituspolku ylimmän kerroksen läpi näkyy mustalla katkoviivalla ja luentapolku pinon läpi punaisella katkoviivalla. Kuvan oikea puoli osoittaa, kuinka substraatin valinta määrää, näyttääkö rakenne deterministisen vai todennäköisen käyttäytymisen.

Aivomme ovat energiatehokkaampia kuin tietokoneet ja siksi tutkijat ovat kiinnostuneita neuromorfisesta (aivojen kaltaisesta) laskennasta.

Groningenin yliopiston fyysikot ovat käyttäneet monimutkaista oksidia luomaan elementtejä, jotka ovat verrattavissa aivojen neurosoluihin ja synapseihin spinejä käyttäen.

Aivojemme toimintaa voidaan simuloida tietokoneissa, mutta se perustuu edelleen binaarijärjestelmään. Siksi tutkijat etsivät tapoja luoda laitteisto, joka on enemmän aivojen kaltainen mutta joilla on rajapintaa myös normaalien tietokoneiden kanssa.

'Yksi idea on luoda magneettibittejä, joilla voi olla välitiloja', sanoo Tamalika Banerjee, toiminnallisten materiaalien spintroniikan professori Groningenin yliopiston.

Tässä tutkimuksessa tohtorikoulutettava Anouk Goossens loi ohutkalvoja ferromagneettisesta metallista (strontium-rutenaattioksidi, SRO), joka oli kasvatettu strontiumtitanaattioksidin alustalle. Syntynyt ohutkalvo sisälsi magneettisia alueita, jotka olivat kohtisuorassa kalvon tasoon nähden. "Näiden olemusta voidaan vaihtaa tehokkaammin kuin tasomaisia magneettisia alueita", Goossens selittää.

Kasvuolosuhteita mukauttamalla on mahdollista hallita kiteiden suuntaa SRO:ssa. Aikaisemmin ulkopuoliset magneettialueet on tehty muilla tekniikoilla, mutta ne edellyttävät tyypillisesti monimutkaisia kerrosrakenteita.

Alueiden magneettisuutta voidaan vaihtaa käyttämällä virtaa SRO:n päällä olevan platinaelektrodin läpi. Goossens: 'Kun magneettiset alueet ovat täysin kohtisuorassa kalvoon nähden, tämä kytkentä on deterministinen: koko alue vaihtuu.' Kuitenkin, kun magneettiset alueet ovat hieman kallistuneet, vaste on todennäköinen: kaikki alueet eivät ole samat, ja väliarvot ilmenevät, kun vain osa alueiden kiteistä on vaihtunut.

Valitsemalla muunnokset substraatista, jolla SRO kasvaa, tutkijat voivat hallita sen magneettista anisotropiaa. Tämä antaa heille mahdollisuuden tuottaa kahta erilaista spintronista laitetta. "Tämä magneettinen anisotropia on juuri sitä, mitä halusimme", Goossens sanoo. 'Todennäköinen kytkentä vastaa neuronisolujen toimintaa, kun taas deterministinen kytkentä on piemminkin kuin synapsi.'

Tutkijat odottavat, että tulevaisuudessa aivojen kaltainen tietokonelaitteisto voidaan luoda yhdistämällä nämä eri alueet spintronisessa laitteessa, joka voidaan liittää tavallisiin piipohjaisiin piireihin.

Lisäksi todennäköisyyskytkentä mahdollistaisi myös stokastisen laskennan, lupaavan tekniikan, joka edustaa jatkuvia arvoja satunnaisbittien virroilla. Banerjee: 'Olemme löytäneet tavan hallita välitiloja, ei vain muistin, vaan myös laskennan kannalta.'

Aiheesta aiemmin:

Aivojakin tehokkaampaa synapsitekniikkaa

Aivomainen transistoripiiri

Aivomaista tietotekniikkaa