I ricercatori dell’Università di Tohoku hanno creato un quadro teorico per un sistema avanzato di calcolo del serbatoio delle onde di spin (RC) che sfrutta la spintronica. Questa innovazione fa avanzare il campo verso la realizzazione di un’elaborazione su scala nanometrica efficiente dal punto di vista energetico con una potenza di calcolo senza pari. I dettagli dei loro risultati sono stati pubblicati su npj Spintronics.
La tecnologia spintronica incontra il brain-inspired computing
Gli scienziati sono costantemente impegnati a creare dispositivi neuromorfici che imitino le capacità di elaborazione del cervello, il basso consumo energetico e la sua capacità di adattarsi alle reti neurali. Lo sviluppo del calcolo neuromorfico è rivoluzionario e consente agli scienziati di esplorare regni su scala nanometrica, velocità GHz, con un basso consumo energetico.
Negli ultimi anni sono stati compiuti molti progressi nei modelli computazionali ispirati al cervello. Queste reti neurali artificiali hanno dimostrato prestazioni straordinarie in vari compiti. Tuttavia, le tecnologie attuali sono basate sul software e la loro velocità di calcolo, dimensioni e consumo energetico rimangono vincolati dalle proprietà dei computer convenzionali.
RC funziona tramite una rete fissa generata casualmente chiamata “serbatoio”. Il serbatoio consente la memorizzazione delle informazioni di input passate e la loro trasformazione non lineare. Questa caratteristica unica consente l’integrazione di sistemi fisici, come la dinamica della magnetizzazione, per eseguire vari compiti per dati sequenziali, come la previsione di serie temporali e il riconoscimento vocale.
Alcuni studiosi hanno proposto la spintronica come mezzo per realizzare dispositivi ad alte prestazioni. Ma i dispositivi prodotti finora non sono stati all’altezza delle aspettative. In particolare, non sono riusciti a raggiungere prestazioni elevate su scala nanometrica con velocità GHz.
Lo studio sullo sfruttamento della tecnologia spintrinica: un passo avanti verso una potenza computazionale senza pari
“Il nostro studio ha proposto un RC fisico che sfruttasse la propagazione delle onde di spin”, ha dichiarato Natsuhiko Yoshinaga, coautore dell’articolo e Professore associato presso l’Istituto avanzato per la ricerca sui materiali (WPI-AIMR).
“Il quadro teorico che abbiamo sviluppato utilizzava funzioni di risposta che collegano i segnali di input alla propagazione delle dinamiche di spin. Questo modello teorico ha chiarito il meccanismo alla base delle elevate prestazioni dell’onda spin RC, evidenziando la relazione di scala tra la velocità dell’onda e le dimensioni del sistema per ottimizzare l’efficacia dei nodi virtuali”.
Fondamentalmente, Yoshinaga e i suoi colleghi hanno contribuito a chiarire il meccanismo per il calcolo del serbatoio ad alte prestazioni. In tal modo, hanno sfruttato vari sottocampi, vale a dire la fisica della materia condensata e la modellizzazione matematica.
“Utilizzando le proprietà uniche della tecnologia spintronica, abbiamo potenzialmente aperto la strada a una nuova era di elaborazione intelligente, avvicinandoci alla realizzazione di un dispositivo fisico che possa essere utilizzato nelle previsioni meteorologiche e nel riconoscimento vocale”, ha aggiunto Yoshinaga.
Che cos’è la spintronica?
La spintronica, nota anche come elettronica di spin, è una tecnologia emergente di dispositivi a stato solido che sfrutta le proprietà di spin intrinseche di un elettrone e il momento magnetico associato, oltre alla carica dell’elettrone.
I dispositivi elettronici e a semiconduttori convenzionali si basano sul trasporto di portatori di carica elettronica. La spintronica, invece, si occupa dell’accoppiamento spin-carica nei sistemi metallici con implicazioni nell’efficienza dell’archiviazione e del trasferimento dei dati.
I sistemi spintronici sono di particolare interesse nel campo della computazione quantistica e della computazione neuromorfica.
La spintronica è la tecnologia alla base dei dispositivi nanoelettronici di prossima generazione per aumentarne la memoria e le capacità di elaborazione riducendo al contempo il consumo energetico. In questi dispositivi, la polarizzazione dello spin è controllata da strati magnetici o tramite accoppiamento spin-orbita.
Le onde di spin, note anche come magnoni, possono essere utilizzate per trasportare corrente di spin senza causare calore. La spintronica viene utilizzata anche nell’industria dei semiconduttori per produrre diversi tipi di transistor, laser e sensori magnetici integrati.
La spintronica combinata con la nanotecnologia può essere una soluzione perfetta per i futuri dispositivi miniaturizzati.
