El concepto básico del recambio de skyrmion: los skyrmions se inyectan en una cámara, se manipulan y se leen. Crédito: Pinna et al. © American Physical Society

Los investigadores han diseñado un “repositorio de skyrmion”, justo cuando un barajador baraja una baraja de cartas, el recambio de skyrmion hace lo mismo con un tipo de cuasipartícula llamada skyrmions magnéticos. El reacomodo es el primer dispositivo compacto y de baja energía que puede reorganizar señales de cualquier tipo (skyrmions, electrones, etc.) con una alta eficiencia, lo que puede permitirle abordar uno de los desafíos de larga data que enfrenta un tipo alternativo de informática. llamado computación estocástica.

Los investigadores, Daniele Pinna y los coautores de la Universidad de París-Saclay, han publicado un artículo sobre el nuevo método de manipulación de skyrmions para la computación estocástica en una edición reciente de Revisión física aplicada .

Skyrmions en dos dimensiones

Skyrmions magnéticos son pequeños defectos en una donde el campo magnético se invierte Una de sus propiedades interesantes es su capacidad para moverse libremente a lo largo de la superficie bidimensional del campo magnético. Cuando muchos skyrmions se unen, su alta movilidad los hace actuar como un gas que se mueve libremente en dos dimensiones.

En años recientes, han captado la atención de los investigadores debido a que su pequeño tamaño (aproximadamente 10 nm) y su alta movilidad sugieren que tienen el potencial de servir como soportes de información para futuros dispositivos miniaturizados, de alta velocidad y de baja energía. Hasta ahora, sin embargo, la mayor parte del trabajo en el campo emergente de skyrmionics ha utilizado skyrmions en pistas unidimensionales, en lugar de aprovechar su libertad bidimensional completa.

El cambio de skyrmion presentado en el nuevo estudio es uno de los primeros dispositivos para aprovechar la dinámica de skyrmions como un gas bidimensional. El remodelador recibe una secuencia de entrada de skyrmions y reorganiza térmicamente su orden, mientras mantiene los mismos estados skyrmion que en la secuencia original. Es decir, si los skrymions codificaban datos usando 0 y 1, entonces tanto los flujos de bits de entrada como de salida tendrían el mismo número de 0 y 1. En consecuencia, la probabilidad de encontrar un 1 (denominado el valor p en este contexto) sería la misma en cualquiera de los flujos de bits, lo que significa que el valor p se conserva. Da la casualidad que reorganizar mientras se conservan los valores p es exactamente lo que se necesita para realizar ciertas operaciones usando un tipo alternativo de computación llamado computación estocástica.

“La mayor importancia de este trabajo es, en mi opinión, haber eliminado los skyrmions de los grilletes 1-D en los que se han visto obligados a vivir”, dijo Pinna. Phys.org . “En cada conferencia de magnetismo, el trabajo de investigación sobre skyrmions preámbulos con su uso potencial para aplicaciones de memoria de carreras. [Pero] skyrmions son intrínsecamente objetos en 2-D con movilidad extremadamente interesante y propiedades espacialmente extendidas. Mi trabajo (pasado y actual) intenta diseñar, teorizar y demostrar dispositivos novedosos en el ámbito de la computación no convencional donde creo firmemente que el nanomagnetismo y la espintrónica pueden allanar el camino para el desarrollo de dispositivos computacionales analógicos escalables y energéticamente eficientes “.

Computación estocástica

En la informática tradicional, los datos se codifican como una cadena ordenada de 0 y 1, y las operaciones se realizan en los datos manipulando con precisión estos dígitos binarios. En la computación estocástica, por otro lado, los datos están codificados en flujos de bits de 0 y 1 aleatorios donde el orden no importa. En cambio, lo importante es que la probabilidad de encontrar un 1 en cualquier posición dada en el flujo de bits, es decir, el valor p, corresponde al valor de los datos que se codifican.

Un dispositivo informático estocástico multiplica los valores p de dos señales de entrada usando una puerta AND. (a) El resultado es preciso cuando las dos señales no están correlacionadas, pero (b) son inexactas cuando las señales están correlacionadas. (c) Después de que las señales han sido reorganizadas, ya no están correlacionadas, pero aún tienen el mismo valor p, lo que resulta en una mejor aproximación. Crédito: Pinna et al. © American Physical Society

Una de las principales ventajas de la informática estocástica es su tolerancia a errores. Si un bit en una cadena se invierte, entonces en el esquema de cálculo tradicional ese pequeño error cambia por completo el valor de los datos codificados. En la computación estocástica, sin embargo, un bit invertido solo cambia ligeramente la probabilidad de encontrar un 1, y en un flujo de bits suficientemente largo el efecto es insignificante. Esta ventaja se vuelve especialmente importante cuando los dispositivos electrónicos se reducen hasta el punto donde los errores se vuelven más frecuentes, lo que resulta en la necesidad de códigos de corrección de errores en la informática tradicional.

Un dispositivo informático estocástico puede realizar aritmética con valores p, pero, debido a la forma en que se implementan estos cálculos, el dispositivo a menudo no da la respuesta correcta cuando los dos flujos de bits de entrada son idénticos, es decir, cuando tienen los mismos 0 y 1 está exactamente en el mismo orden. Para solucionar este problema, las señales se deben reorganizar conservando los valores de p. Aunque las señales de reorganización pueden realizarse utilizando generadores de números pseudoaleatorios, estas requieren grandes recuerdos y consumen grandes cantidades de energía. El repositorio skyrmion usa órdenes de magnitud menos memoria y energía que estos dispositivos, lo que sugiere que puede ofrecer una solución de baja energía y alta eficiencia para este problema.

Neurona Skyrmion

Los investigadores también demostraron que, con algunas modificaciones, el reshuffler skyrmion puede funcionar de manera similar a una neurona biológica. Cuando una neurona recibe señales electroquímicas de otras neuronas, integra la actividad entrante y, si la actividad es lo suficientemente alta, envía un pico de voltaje propio. Las neuronas también tienen “fugas” en el sentido de que, cuando no reciben señales, su voltaje decae lentamente con el tiempo.

De forma similar, cuando la “neurona skyrmion” recibe un flujo de bits de skyrmions como entrada, acumula los skyrmions en una de sus cámaras, y luego envía un bitstream reorganizado. Además, cuando los skyrmions están apretados demasiado apretados, comienzan a aniquilarse, emulando una neurona con fugas.

Los investigadores esperan que tanto la neurona skyrmion reshuffler como la skyrmion puedan servir algún día como los bloques de construcción de futuras computadoras estocásticas espintrónicas.

“El repositorio skyrmion es en realidad un dispositivo muy versátil”, dijo Pinna. “Además de cambiar las señales de ruido del telégrafo (o, de forma equivalente, corrientes de bits), también se puede usar para generar flujos de bits con valores p bien definidos. De hecho, al inyectar skyrmions en proporciones específicas en las dos cámaras del dispositivo, el dispositivo efectivamente toma un valor p impuesto como entrada y emite un flujo revuelto de skyrmions que lo definen. Aunque esto es probablemente más eficiente de implementar con uniones túnel super-paramagnéticas, resulta ser bastante elegante que el mismo dispositivo se puede utilizar para ambos lucha y generar flujos de bits aleatorios.

“Los la neurona es una borla más pequeña en el panorama general de las técnicas neuromórficas en magnetismo. Es de gran interés estudiar todas las formas en que podemos reproducir funcionalmente el comportamiento de una neurona en sistemas de materia condensada. La filosofía detrás de esto es que uno puede intentar construir redes neuronales analógicas de abajo hacia arriba mediante el acoplamiento de muchos de estos elementos juntos “.


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Más información: D. Pinna et al. “Manipulación del gas Skyrmion para la computación probabilística”. Revisión física aplicada . DOI: 10.1103 / PhysRevApplied.9.064018

También en arXiv: 1701.07750 [cond-mat.mes-hall]