Важный шаг в нейроморфных вычислениях: новый материал сам создает нейроны и синапсы для компьютеров

В работе привычных компьютеров применяются двоичные значения (нули и единицы), а вот клетки человеческого мозга передают аналоговые сигналы с куда большим количеством вариантов. Потому, хотя компьютеры быстрее производят вычисления, люди значительно лучше них распознают объекты. И даже при искусственном моделировании работы мозга сохраняется базовая архитектура с опорой на двоичную систему.

Ученые из голландского университета Гронингена исследовали нейроморфные вычисления, чтобы в дальнейшем создать устройство, похожее по принципу работы на человеческий мозг, но при этом способное напрямую подключаться к обычному компьютеру.

В основу новой модели нейроморфных вычислений положена спинтроника, использующая для передачи информации спины, то есть собственный момент импульса электронов. Основная идея заключается в применении магнитных битов, которые обладают промежуточными состояниями.

Обычные магнитные биты, например, в HDD-накопителях, – это участки ферромагнитного сплава, где нули и единицы представлены разными направлениями вектора намагниченности. В то же время биты с промежуточными состояниями векторов могут хранить и передавать более разнообразные сигналы, выходящие за рамки двоичной системы.

Во время исследования на подложке из оксида титаната стронция была выращена пленка ферромагнитного металла (SrO, оксида стронция-рутената). Содержащиеся в ней магнитные домены оказались перпендикулярны плоскости пленки.

Ранее для изготовления аналогичных магнитных доменов, отличных от плоскости, применялись другие технологии, для которых требовались сложные многослойные структуры.

В отличие от плоских магнитных доменов перпендикулярные переключаются более эффективно. А также, немного изменяя условия выращивания пленок, можно контролировать ориентацию кристаллов, из которых состоит домен, в оксиде стронция-рутената. Так, магнитные домены могут быть идеально перпендикулярны пленке или быть слегка наклонены относительно нее. Эта разница принципиально важна при переключении доменов – в исследовании для этого применялся платиновый электрод.

Переключение перпендикулярных доменов является детерминированным, если при нем задействован весь домен. А вот для доменов, расположенных под разными углами к поверхности пленки, реакция окажется вероятностной, так как они не одинаковы и сохраняется возможность переключения лишь части кристаллов в домене. В этом случае образуются отличные от нуля и единицы промежуточные значения, которые похожи на аналоговые сигналы в нейронах человеческого мозга.

При создании кристаллов в пленках оксида стронция-рутената использовались два варианта подложки из оксида титаната стронция. Это позволило ученым контролировать магнитную анизотропию – неодинаковость магнитных свойств по разным направлениям.

Одна из подложек провоцирует появление строго перпендикулярных доменов, а другая – направленных под разными углами. Соответственно, переключение в пленках происходит неодинаково: в одном случае детерминировано, во втором – вероятностно. Детерминированное переключение работает как синапс, а вероятностное больше похоже на функционирование нейронов в мозге.

В дальнейшем планируется объединить эти разные домены в одно спинтронное устройство. Оно будет функционировать почти как человеческий мозг, но при этом свободно подключаться к стандартным кремниевым компьютерным схемам.

Это также приводит ученых и к возможности использования стохастических вычислений, то есть проставления значений потоками случайных битов. Это означает, что контроль промежуточных состояний в магнитных доменах возможен не только для памяти, но и для вычислений.