Skyrmionen zijn ultrastabiele atomaire objecten die voor het eerst werden ontdekt in echte materialen in 2009, waarvan recentelijk ook is gevonden dat ze ook bij kamertemperatuur voorkomen. Deze unieke objecten hebben een aantal wenselijke eigenschappen, inclusief een substantieel kleine drempelspanning, nanoschaalgroottes en gemakkelijke elektrische manipulatie.

Hoewel deze eigenschappen voordelig kunnen zijn voor het creëren van een breed scala aan elektronica, het ontwikkelen van functionele volledig elektrische apparaten met behulp van skyrmions is tot nu toe een grote uitdaging gebleken. Een mogelijke toepassing voor skyrmionen is in neuromorphic computing, wat het creëren van kunstmatige structuren met zich meebrengt die lijken op die waargenomen in het menselijk brein.

Met dit in gedachten, onderzoekers van het Korea Institute of Science and Technology (KIST) hebben onlangs de mogelijkheid onderzocht om skyrmionen te gebruiken om mechanismen te repliceren die in het menselijk brein zijn waargenomen. hun papier, gepubliceerd in Natuur Elektronica , laat zien dat deze ultrastabiele atomaire structuren kunnen worden gebruikt om bepaalde gedragingen van biologische synapsen na te bootsen, dat zijn verbindingen tussen neuronen waardoor zenuwimpulsen worden doorgegeven aan verschillende delen van het menselijk brein.

"Sinds hun ontdekking, er zijn een paar demonstraties geweest van elektrische manipulaties van skyrmionen, die suggereerde dat ze kunnen worden gebruikt om een ​​volledig functionerend apparaat te creëren, " Seonghoon Woo, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde en nu bij IBM, vertelde TechXplore. "Tegelijkertijd, we hebben een toename van neuromorfisch computeronderzoek ervaren, wat suggereert dat een analoog geheugenapparaat dat bekend staat als een 'memristor' zou kunnen worden gebruikt om de computerefficiëntie drastisch te verhogen. Aangezien andere technologieën die gebruik maken van bestaand analoog geheugen zich nog in een vroeg ontwikkelingsstadium bevinden, we dachten dat op skyrmion gebaseerde memristors een oplossing zouden kunnen zijn, vanwege hun ideale eigenschappen."

Neuronen in de hersenen communiceren via synapsen met behulp van neurotransmitters, chemische stoffen die neurologische informatie van de ene cel naar de andere overbrengen. In de kunstmatige synapsen die door de onderzoekers zijn gemaakt, elk individueel skyrmion fungeert als een neurotransmitter.

Door het aantal skyrmionen in een systeem met minimaal elektrisch vermogen te regelen, de onderzoekers waren in staat om twee mechanismen na te bootsen die werden waargenomen in biologische synapsen, namelijk hun versterkend en depressief gedrag, die worden veroorzaakt door variaties in het gewicht van neurotransmitters. Dit gedrag werd gerepliceerd door de accumulatie en dissipatie van skyrmionen uit te lokken, resulterend in veranderingen in het gewicht van het systeem en dus in het geheugen.

"In onze studie we hebben expliciet op skyrmion gebaseerde synapsen vergeleken met andere meer gevestigde technologieën op basis van niet-vluchtig geheugen, zoals faseveranderingsgeheugen of resistief geheugen, ' zei Woo. 'Hoewel voorlopig, onze studie laat zien dat een op skyrmion gebaseerd ontwerp voordelen kan hebben in belangrijke metrieken, inclusief uithoudingsvermogen, lineariteit en variabiliteit van apparaat tot apparaat, die nu een kritiek knelpunt vormen in PRAM- of RRAM-gebaseerde ontwerpen."

Tot dusver, Woo en zijn collega's hebben de prestaties van hun kunstmatige synapsen op chipniveau getest, in een reeks simulaties. Ze vonden dat ze opmerkelijk goed presteerden, vooral op patroonherkenningstaken.

"Gezien het feit dat de meeste huidige onderzoeken naar op memristor gebaseerde neuromorfische computers gebaseerd zijn op PRAM of RRAM, Ik denk dat de meest betekenisvolle prestatie van ons onderzoek is dat we een nieuwe manier hebben gedemonstreerd om neuromorfische computertools te maken op basis van spinstructuren, ' zei Woe.

Bij sommige patroonherkenningstaken de kunstmatige synapsen die door Woo en zijn collega's zijn gemaakt, bereikten een nauwkeurigheid die vergelijkbaar is met die van andere geavanceerde computerhulpmiddelen. In de toekomst, deze structuren kunnen de ontwikkeling mogelijk maken van nieuwe soorten goed presterende kunstmatige neurale netwerken (ANN).

"Een van de vele voordelen van Skyrmions is dat ze een zeer kleine schaal kunnen hebben - tot een enkele nanometer - en energieschaal, in een ideaal materiaal, " Woo voegde toe. "Deze eigenschap zou binnenkort de operatie-energie voor neuromorfische computertoepassingen aanzienlijk kunnen verminderen."

© 2020 Wetenschap X Netwerk