Исследования, проведенные исследователями из Департамента физики Университета Барселоны позволили сымитировать обучающие нейроморфные способности с использованием тонких слоев оксида кобальта. Эксперимент, проведенный на синхротроне ALBA, является новым шагом на пути к компьютерам, вдохновленным человеческим мозгом.
С появлением больших данных существующие вычислительные архитектуры оказались недостаточными. Трудности с уменьшением размера транзисторов, большое энергопотребление и ограниченная скорость работы делают нейроморфные вычисления многообещающей альтернативой.
Нейроморфные вычисления — новая парадигма вычислений, вдохновленная человеческим мозгом — воспроизводят активность биологических синапсов с помощью искусственных нейронных сетей. Такие устройства работают как система переключателей, так что положение «включить» соответствует сохранению или «изучению» информации, а положение «выключить» соответствует ее удалению или «забыванию».
В недавней публикации ученые из Автономного университета Барселоны (UAB), CNR-SPIN (Италия), Каталонского института нанонауки и нанотехнологии (ICN2), Института микро- и нанотехнологий (IMN-CNM-CSIC) и ALBA Synchrotron исследовали эмуляцию искусственных синапсов с использованием новых устройств из усовершенствованных материалов.
Проект возглавляли научный сотрудник Serra Húnter Энрик Менендес и исследователь ICREA Хорди Сорт.
Новый подход к имитации функций синапсов
До сих пор большинство систем, используемых для этой цели, в конечном счете управлялись электрическим током, что приводило к значительным потерям энергии за счет рассеивания тепла. На этот раз исследователи предложили использовать магнитоионику — энергонезависимый контроль магнитных свойств материалов за счет миграции ионов, управляемой напряжением, что резко снижает энергопотребление и делает хранение данных энергоэффективным.
Хотя рассеивание тепла уменьшается из-за эффектов миграции ионов, магнито-ионное движение кислорода при комнатной температуре обычно довольно медленное для промышленных применений — оно требует нескольких секунд или даже минут для переключения магнитного состояния. Чтобы решить эту проблему, команда исследовала использование материалов-мишеней, кристаллическая структура которых уже содержала транспортируемые ионы. Такие магнито-ионные мишени могут подвергаться полностью обратимым преобразованиям из неферромагнитного («выключено) в ферромагнитное («включено») состояние и наоборот только за счет движения кислорода от мишени к резервуару.
Оксиды кобальта были выбраны (благодаря их кристаллической структуре) в качестве материалов для изготовления пленок толщиной от 5 до 230 нм. Ученые исследовали роль толщины в результирующем магнитоионном поведении, и обнаружили, что чем тоньше пленки, тем быстрее достигается генерация намагниченности.
Рентгеновские спектры поглощения (XAS) образцов были получены на линии луча BOREAS синхротрона ALBA. XAS использовали для характеристики при комнатной температуре элементного состава и степени окисления пленок оксида кобальта, которые оказались разными для как для тонких, и самых толстых пленок. Эти результаты имели решающее значение для понимания различий в магнитоионном движении кислорода между пленками.
Поскольку рабочие скорости, достигнутые в этой работе, были аналогичны скорости, используемой для нейроморфных вычислений, ученые дополнительно исследовали тончайшие пленки оксида кобальта. В частности, были вызваны эффекты, связанные с нейроморфными способностями к обучению, и результаты предоставили доказательства того, что магнитно-ионные системы могут имитировать функции «обучения» и «забывания».
Помимо нейроморфных вычислений, результаты этого исследования принесут пользу и другим практическим приложениям, таким как магнитная память и спинтроника. Комбинация магнитной памяти с энергоэффективной магнитоионикой может быть возможным способом снижения рабочей энергии для носителей данных следующего поколения, в то время как магнитоионные механизмы для управления антиферромагнитными слоями в настоящее время являются кандидатами для разработки устройств спинтроники.
Читать далее
Астрономы нашли новый объект Солнечной системы за орбитой Нептуна
Впервые составлена полная карта человеческого кишечника
Появилась батарея размером с крупицу соли. Она может питать устройства 10 часов