Een van de grote uitdagingen in computerarchitectuur is het integreren van opslag, geheugen en verwerking in één eenheid. Dit zou computers sneller en energiezuiniger maken. Natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen hebben een grote stap in die richting gezet door een met niobium gedoteerde strontiumtitanaat (SrTiO3) halfgeleider te combineren met ferromagnetisch kobalt. Op de interface, dit creëert een spin-memristor met opslagmogelijkheden, de weg vrijmaakt voor neuromorfe computerarchitecturen. De resultaten zijn op 22 januari gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .

Het door de natuurkundigen ontwikkelde apparaat combineert het memristoreffect van halfgeleiders met een op spin gebaseerd fenomeen dat tunneling anisotrope magnetoweerstand (TAMR) wordt genoemd en werkt bij kamertemperatuur. De SrTiO3-halfgeleider heeft een niet-vluchtige variabele weerstand wanneer deze wordt gekoppeld aan kobalt:een elektrisch veld kan worden gebruikt om deze van lage naar hoge weerstand en terug te veranderen. Dit staat bekend als het elektroweerstandseffect.

Verder, wanneer een magnetisch veld werd aangelegd over dezelfde interface, in en uit het vlak van het kobalt, dit toonde een afstembaarheid van de TAMR-spinspanning met 1,2 mV. Dit naast elkaar bestaan ​​van zowel een grote verandering in de waarde van TAMR als elektroweerstand over hetzelfde apparaat bij kamertemperatuur is niet eerder aangetoond in andere materiaalsystemen.

"Dit betekent dat we aanvullende informatie op een niet-vluchtige manier kunnen opslaan in de memristor, waardoor een zeer eenvoudig en elegant geïntegreerd spin-memristorapparaat ontstaat dat werkt bij kamertemperatuur, ", legt hoogleraar Spintronica van Functionele Materialen Tamalika Banerjee uit. Ze werkt bij het Zernike Institute for Advanced Materials van de Rijksuniversiteit Groningen. Tot nu toe, pogingen om op spin gebaseerde opslag te combineren, geheugen en computergebruik worden naast andere factoren gehinderd door een complexe architectuur.

De sleutel tot het succes van het Banerjee-groepsapparaat is de interface tussen kobalt en de halfgeleider. "We hebben aangetoond dat een isolerende laag van één nanometer dik aluminiumoxide het TAMR-effect doet verdwijnen, ", zegt Banerjee. Het kostte nogal wat werk om de interface te engineeren. Dat deden ze door de niobiumdotering van de halfgeleider en daarmee het potentiële landschap op de interface aan te passen. Dezelfde coëxistentie kan niet worden gerealiseerd met silicium als halfgeleider:"Je hebben de zware atomen in SrTiO3 nodig voor de spin-baankoppeling op het grensvlak dat verantwoordelijk is voor het grote TAMR-effect bij kamertemperatuur."

Deze apparaten zouden kunnen worden gebruikt in een hersenachtige computerarchitectuur. Ze zouden fungeren als de synapsen die de neuronen verbinden. De synaps reageert op een externe stimulus, maar deze reactie hangt ook af van het geheugen van de synaps van eerdere stimuli. "We overwegen nu hoe we een bio-geïnspireerde computerarchitectuur kunnen creëren op basis van onze ontdekking." Een dergelijk systeem zou afstand nemen van de klassieke Von Neumann-architectuur. Het grote voordeel is dat het naar verwachting minder energie verbruikt en dus minder warmte produceert. "Dit zal nuttig zijn voor het "Internet of Things, " waar het aansluiten van verschillende apparaten en netwerken onhoudbare hoeveelheden warmte genereert."

De fysica van wat er precies gebeurt op het grensvlak van kobalt en de strontiumhalfgeleider is ingewikkeld, en er moet meer werk worden verzet om dit te begrijpen. Banerjee:"Als we het eenmaal beter begrijpen, we in staat zullen zijn om de prestaties van het systeem te verbeteren. Daar zijn we momenteel mee bezig. Maar het werkt goed zoals het is, dus we denken er ook aan om een ​​complexer systeem te bouwen met zulke spin-memristors om daadwerkelijke algoritmen te testen voor specifieke cognitiemogelijkheden van het menselijk brein." Het apparaat van Banerjee is relatief eenvoudig. Opschalen naar een volledige computerarchitectuur is de volgende grote stap.

Hoe deze apparaten te integreren in een parallelle computerarchitectuur die de werking van de hersenen nabootst, is een vraag die Banerjee fascineert. "Ons brein is een fantastische computer, in de zin dat het enorme hoeveelheden informatie parallel kan verwerken met een energie-efficiëntie die veel superieur is aan die van een supercomputer." De bevindingen van Banerjee's team zouden kunnen leiden tot nieuwe architecturen voor op de hersenen geïnspireerd computergebruik.