Weltweit erstes Silizium-Spintronik-p-Bit könnte intelligentere Computer antreiben

Die Forscher gaben bekannt, dass sie den Betrieb des p-Bits, der Grundeinheit des probabilistischen Rechnens, experimentell verifiziert haben.

Das probabilistische Rechnen ist ein Bereich der Informatik und der künstlichen Intelligenz, der sich mit der Erforschung und Umsetzung probabilistischer Algorithmen, Modelle und Methoden für Berechnungen befasst. „Diese Leistung eröffnet einen Weg hin zu großskaligen spintronischen p-Rechnern für Anwendungen wie künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen", so die Forscher.

Smarter AI-Hardware: Herkömmliche Computer verarbeiten Daten mit Bits, die einen änden einnehmen: 0 oder 1. Dieses binäre System bildet die Grundlage moderner Technologien, einschließlich Smartphones, Supercomputer, Rechenzentren, KI und praktisch jedes heute eingesetzte digitale Gerät.

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Es stößt jedoch bei der Suche durch enorme Mengen möglicher Lösungen an Grenzen. Im Gegensatz dazu verwenden probabilistische Computer p-Bits, also elektronische Elemente, die zufällig zwischen 0 und 1 schwanken.

Sie nutzen physikalische Zufälligkeit, um viele mögliche Zustände zu erkunden, was sie für Aufgaben im Bereich KI, maschinelles Lernen und Optimierung besonders geeignet macht. Schematische Querschnittsstruktur des spintronischen p-Bits. Quelle: Shunsuke Fukami, William A. Borders et al.

Spintronik, eine Technologie, die Informationen durch Manipulation des intrinsischen Quantenspins eines Elektrons verarbeitet und speichert, hat sich mittlerweile als eine der vielversprechendsten Technologien für den Aufbau nutzen die magnetischen Eigenschaften. „Unter mehreren Kandidatentechnologien gilt die Spintronik als besonders vielversprechend, da nanoskalige magnetische Bauelemente durch magnetische Fluktuationen natürlicherweise probabilistisches Verhalten erzeugen können", betonten die Forscher.

Technik und Auswirkungen

Auf einem Siliziumchip aufgebautDie Studie wurde, PhD, einer Forscherin am Labor für Nanoelektronik und Spintronik der Tohoku University geleitet. Das Team integrierte spintronische Bauelemente direkt auf einem Siliziumchip, indem es Halbleiter- und Spintronik-Herstellungsverfahren sowohl in Japan als auch in den USA kombinierte.

Zur Fertigung nutzte das Team den 130-nm-CMOS-Prozess (130 Nanometer), der, einem in Minnesota ansässigen Halbleiterunternehmen, bereitgestellt wurde. Anschließend integrierten sie superparamagnetische Nanobauelemente und obere Elektroden mithilfe der spintronischen Fertigungsanlagen der Universität.

Das resultierende Chipdesign demonstrierte erfolgreich die beiden wesentlichen Eigenschaften, die für den Betrieb eines p-Bits erforderlich sind. Zunächst beobachtete das Team stochastische Schwankungen der Ausgangsspannung über die Zeit und bestätigte, dass das Gerät Zuständen umschalten kann.

Zudem zeigten sie, dass der mittlere

Zudem zeigten sie, dass der mittlere Ausgang durch eine angelegte Eingangsspannung gesteuert werden kann, wodurch das probabilistische Verhalten justierbar ist.

Die Wissenschaftler betonten, dass dies die erste experimentelle Demonstration eines spintronischen p-Bits darstellt, das monolithisch auf einem Siliziumchip mittels Halbleiter-IC-Prozessen integriert wurde.

Die Ergebnisse könnten größere spintronische p-Computer ermöglichen. „Durch weitere Fortschritte in den Technologien für Bauelemente und Schaltungen sowie durch eine Erhöhung der Anzahl integrierter p-Bits erwarten die Forscher, dass spintronische p-Computer der großflächigen praktischen Umsetzung näher rücken werden", so die Universität in einer Pressemitteilung.

Die Studie wurde im Fachjournal IEEE Electron Device Letters veröffentlicht.