面向仿脑计算的自旋电子学理论研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11734004
  • 项目类别:
    重点项目
  • 资助金额:
    310.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A2007.磁学及自旋电子学
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2022-12-31

项目摘要

In recently years, great progress has been achieved in the software implementation of artificial intelligence, where "deep learning" is a representative example. The hardware implementation of the brain-inspired computing, on the other hand, is just an emergent field. The magnetic nanostructures that are studied in spintronics, such as magnetic tunnel junctions, magnetic domain walls, have the required physical properties of the elements in brain-inspired computing. So they are naturally suitable to be used for the corresponding hardware implementation of artificial neural networks. The research on spintronics for brain-inspired computing will significantly change and enrich the present focuses of the spintronics community. For example, the random behaviors in magnetization dynamics due to thermal fluctuations that are unwanted in previous studies of magnetic storage devices, will play a key role and hence become very important in spintronics researches. This proposal is to study theoretically the physical implementation of the brain-inspired computing scheme based on spintronic nanostructures. We combine first-principles spin transport calculation and micromagnetic simulation to demonstrate the principles of the designed brain-inspired computing scheme without the help of other complex techniques. Specifically, we construct a unique scale-free neural network based on spintronic nanostructures. Using theoretical calculation and design, we will show how the spintronic neural network can encode different rhythms after the machine learning process. This project will result in a breakthrough on the time-resolved brain-inspired computing, which enables processing dynamical information, beyond the focus of the present researches of machine learning–the recognition and classification of static objects.
近年来以“深度学习”为代表的人工智能的软件实现方面取得了巨大的进步,而相应的“仿脑计算”硬件研发尚处于起步阶段。自旋电子学研究的磁性隧道结、磁畴壁等纳米结构具备“仿脑计算”硬件元件所需的物理特性,因此在其物理实现上存在天然的优势。面向“仿脑计算”的研究将很大程度上改变并丰富目前自旋电子学的研究内容和关注点,例如过去希望抑制的热扰动导致的磁动力学随机行为将发挥关键作用。本项目着重研究基于自旋电子纳米结构的“仿脑计算”的物理实现方案,结合第一原理自旋输运计算与微磁学模拟,在不借助其它工程学技术的条件下,从理论上验证并展示“仿脑计算”的设计方案。具体来说,我们构建一种新颖的自旋电子无标度神经网络,借助理论模拟设计自旋神经元和突触特性,使该系统能够通过机器学习,获得编码不同时长的节律信息的能力。这个问题的研究将突破目前机器学习普遍研究的空间感知功能,将“仿脑计算”拓展到时间维度,能够处理动态信息。

结项摘要

我们基于磁性隧道结、磁畴壁等自旋电子学器件,设计了递归神经网络,连续吸引子神经网络和脉冲前馈神经网络等自旋电子学类脑计算方案,实现了通过机器学习编码时空信息,对动态目标进行预测追踪,多模态感知信息的高效整合等功能,提出通过群体编码有效对抗器件的不均一性和系统噪音等不利因素,并结合微磁学模拟和网络动力学仿真验证了上述方案的可行性。在研究过程中,发展了一套独特的多尺度计算仿真程序,自主开发了基于Python语言的网络动力学仿真程序,并且与PyTorch等开源软件对接,结合微磁学模拟软件实现全硬件动态仿真,最终通过物理仿真环境演示,为“仿脑芯片”的实验研究提供理论基础和工具。我们在算法方面的探索也可以应用于阻变、相变、铁电等新材料和新器件的类脑计算方案。

项目成果

期刊论文数量(60)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(5)
专利数量(2)
First-principles study of the anomalous Hall effect based on exact muffin-tin orbitals
基于精确松饼罐轨道的反常霍尔效应的第一性原理研究
  • DOI:
    10.1103/physrevb.103.054204
  • 发表时间:
    2021-01
  • 期刊:
    Physical Review B
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Wang Lei;Min Tai;Xia Ke
  • 通讯作者:
    Xia Ke
Hybrid states of a cavity-photon–vortex coupled system in a superconductive cavity
超导腔中腔-光子涡旋耦合系统的混合态
  • DOI:
    10.1063/5.0123823
  • 发表时间:
    2022-11
  • 期刊:
    Applied Physics Letters
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Lei Wang;Xin Shang;Haiwen Liu;Tai Min;Ke Xia
  • 通讯作者:
    Ke Xia
Observation of spin-orbit magnetoresistance in metallic thin films on magnetic insulators.
磁绝缘体上金属薄膜自旋轨道磁阻的观测
  • DOI:
    10.1126/sciadv.aao3318
  • 发表时间:
    2018-01
  • 期刊:
    Science advances
  • 影响因子:
    13.6
  • 作者:
    Zhou L;Song H;Liu K;Luan Z;Wang P;Sun L;Jiang S;Xiang H;Chen Y;Du J;Ding H;Xia K;Xiao J;Wu D
  • 通讯作者:
    Wu D
Coherent Picture on the Pure Spin Transport between Ag/Bi and Ferromagnets
Ag/Bi 和铁磁体之间纯自旋输运的相干图
  • DOI:
    10.1103/physrevlett.129.097203
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Physical Review Letters
  • 影响因子:
    8.6
  • 作者:
    J. Cheng;B. F. Miao;Z. Liu;M. Yang;K. He;Y. L. Zeng;H. Niu;X. Yang;Z. Q. Wang;X. H. Hong;S. J. Fu;L. Sun;Y. Liu;Y. Z. Wu;Z. Yuan;H. F. Ding
  • 通讯作者:
    H. F. Ding
Charge-induced ferromagnetic phase transition and anomalous Hall effect in full d-band nonmagnetic metals
全 d 带非磁性金属中的电荷感应铁磁相变和反常霍尔效应
  • DOI:
    10.1103/physrevb.99.224416
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    PHYSICAL REVIEW B
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Wang Lei;Wang X. R.;Min Tai;Xia Ke
  • 通讯作者:
    Xia Ke

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自旋卡诺电子学研究进展
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  • 期刊:
    物理
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  • 作者:
    唐慧敏;曹锦;夏钶
  • 通讯作者:
    夏钶
磁性金属纳米结构的畴壁特性与磁逻辑电路构筑
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    物理学进展
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    顾长志;夏钶;李俊杰;姚宗妮;徐鹏;杨海方;姜倩晴
  • 通讯作者:
    姜倩晴

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自旋卡洛电子学的第一原理计算研究
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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