Development of artificial intelligence hardware using magnetic tunnel junctions

使用磁隧道结开发人工智能硬件

• 批准号: 20H05655
• 负责人: 久保田 均
• 金额: $ 128.54万
• 依托单位: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-08-31 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H05655/
• 关键词: 人工スピンアイス; 強磁性トンネル接合; リザーバ計算; 磁性薄膜; ナチュラルコンピューティング; リザバー計算; 静磁気的結合; フラストレーション

本研究では人工スピンアイスを物理リザバー計算に適用し、高い計算性能と高集積化の両立に道を開く事を目指している。本年度の研究内容を以下に述べる。・人工スピンアイスネットワーク試料の作製と評価　パーマロイ薄膜を用いて、ランダムな迷路構造を有する細線パターンを作製し磁気特性を評価した。人工スピンアイスを構成するセルの磁気特性を実験とシミュレーションにより調べた。長いStadium Shape形では磁気渦がセル端部に生成し、比較的小さな磁界で一斉反転を引き起こすことがわかった。この結果に基づき強磁性トンネル接合からなるハニカム格子人工スピンアイスネットワーク試料を作製した。ピッチサイズを2-1.04ミクロンの範囲で変化させ、72個中の62個のセルに個別に上部電極を接続した。磁気抵抗曲線の測定の結果、磁気抵抗か高くかつ抵抗値のばらつきが少ない良好な磁気抵抗特性を得た。・リザバー計算シミュレーション　72個のセルからなるハニカム格子人工スピンアイスネットワーク試料を想定したシミュレーションを行った。磁界パルスの波形が計算性能に大きな影響を与えることがわかった。また、人工スピンアイスのトポロジカルな性質に着目したシミュレーションを行い、計算性能を評価した。・リザバー計算実験・解析　ランダムな迷路構造パターンに成形した試料を用いてレザバー計算を行った。磁界印加機構とカー効果顕微鏡システムをソフトウェアにより同期的に制御した。解析の結果、迷路構造パターンの中で磁化方向が大きく変化する部分が非線形演算に大きく寄与することが明らかになった。・設計ツール開発　迷路構造を有する複雑な形状からなるリザバーのシミュレートを可能とする拡張を行った。加えて計算ツールを用いたシミュレーションを行いツールのインタフェイスの改良を行った。ツールの普及を助けるより簡便な操作での利用が可能となった。

在这项研究中，我们的目标是将人造旋转冰应用于物理储层计算，并为实现高计算性能和高集成度铺平道路。现将今年的研究内容介绍如下。・人工旋转冰网样品的制作和评价 使用坡莫合金薄膜，制作具有随机迷宫结构的细线图案，并评价磁特性。通过实验和模拟研究了构成人造旋转冰的细胞的磁性。研究发现，在长的体育场形状中，细胞边缘会产生磁涡流，相对较小的磁场会导致同时反转。基于这一结果，我们制造了由铁磁隧道结组成的蜂窝晶格人工自旋冰网络样品。节距尺寸在 2-1.04 微米范围内变化，顶部电极单独连接到 72 个电池中的 62 个。测量磁阻曲线的结果表明，获得了良好的磁阻特性，具有高磁阻且电阻值变化小。・储层计算模拟 假设由 72 个单元组成的蜂窝晶格人工旋转冰网样品进行了模拟。研究发现磁场脉冲的波形对计算性能有显着影响。我们还针对人造旋转冰的拓扑特性进行了模拟并评估了计算性能。・储层计算实验/分析 使用形成随机迷宫结构图案的样本进行储层计算。磁场施加机构和克尔效应显微镜系统由软件同步控制。分析结果表明，迷宫结构图案中磁化方向发生显着变化的部分对非线性计算有很大贡献。・设计工具的开发：进行了扩展，以能够模拟具有迷宫结构的复杂形状的水库。此外，我们还使用计算工具进行了模拟，并改进了工具界面。可以通过更简单的操作来使用该工具，从而有助于普及该工具的使用。

项目成果

Randomly generated magnetic wire for reservoir computing

用于储层计算的随机生成磁线

• 发表时间: 2023
• 作者: Kohei Enju; Minori Goto; Yoshishige Suzuki; Hikaru Nomura
• 通讯作者: Hikaru Nomura

Magnetic Tunnel Junction Arrays with Artificial Spin Ice Structure

具有人工自旋冰结构的磁隧道结阵列

• 发表时间: 2022
• 作者: H. Kubota; K. Yakushiji; T. Taniguchi; S. Tamaru; T. Yamamoto; S. Tsunegi; A. Sugihara; K. Hon; H. Nomura; Y. Suzuki
• 通讯作者: Y. Suzuki

Fabrication of artificial spin ice lattices for reservoir computing

用于储层计算的人造自旋冰晶格的制造

• 发表时间: 2022
• 作者: H. Kubota; K. Yakushiji; T. Taniguchi; S. Tamaru; T. Yamamoto; S. Tsunegi; A. Sugihara; H. Nomura; Y. Suzuki
• 通讯作者: Y. Suzuki

ナノ磁性体を用いた低消費電力情報処理素子

使用纳米磁性材料的低功耗信息处理装置

• 发表时间: 2022
• 作者: 野村 光

A 72-cell magnetic tunnel junction array for locally accessible artificial spin ice

用于局部可访问的人造自旋冰的 72 单元磁性隧道结阵列

• 发表时间: 2022
• 作者: H. Kubota; K. Yakushiji; T. Taniguchi; S. Tamaru; T. Yamamoto; S. Tsunegi; A. Sugihara; K. Hon; H. Nomura; Y. Suzuki
• 通讯作者: Y. Suzuki