Современные технологии обработки информации и связи основаны на интегральных схемах на основе металл-оксид-полупроводник (КМОП) с архитектурой фон Неймана. Технологии развиваются с увеличением тактовой частоты, а также количества компонентов в схемах, поэтому возникают вопросы об ограничении различных факторов, таких как предел масштабирования, энергопотребление, узкие места при передаче данных, точность результатов, энергоэффективность и так далее.
Возможность имитировать информационный процесс человеческого мозга в программном обеспечении и запускать его на обычном оборудовании, таком как глубокие нейронные сети, была признана эффективной средой. Хотя этот подход показывает большие перспективы, что он может конкурировать с человеческим мозгом, он основан на гигантских аппаратных ресурсах и источниках питания, что препятствует расширению области, в которой технология может быть использована.
В нейронах и синапсах обработка информации, запоминание и обучение происходят локально; параллельно и асинхронно, в отличие от архитектуры фон Неймана. Математические модели, которые абстрагируют вышеупомянутый механизм обработки информации в нейронных сетях или искусственном оборудовании, где выполняются операции, основанные на математической модели, называются искусственными нейронными сетями и признаны ключевым компонентом для реализации маломощных, высокопроизводительных и адаптивные нейроморфные вычисления помимо используемого в настоящее время ИИ на основе архитектуры фон Неймана.
Для создания крупномасштабных и маломощных искусственных нейронных сетей эффективно использовать искусственные нейроны и синапсы с помощью твердотельных устройств. Кроме того, поскольку реальные нейронные сети содержат гораздо большее количество синапсов, чем нейроны, математические модели для искусственных нейронных сетей в основном требуют большого количества синапсов. Также замечено, что, как и настоящие синапсы, искусственные синапсы должны изменять свое состояние аналоговым способом посредством обучения и сохранять свое состояние энергонезависимым образом. Эти факты вызвали споры об обширных усилиях по реализации компактных, аналоговых и энергонезависимых искусственных синапсов с использованием твердотельных устройств, изготовленных из различных систем материалов, таких как материалы с переключающим сопротивлением (или мемристор), материалы с фазовым переходом и ферроэлектрические материалы. материалы. Кроме того, были отмечены различные проявления мозга, подобные соревнованиям.
Устройства спинтроники по своей природе обеспечивают быструю и практически бесконечную операцию записи информации (переключение намагничивания) со стандартными КМОП-совместимыми напряжениями и сохраняют свое состояние без использования источника питания. В следующих магниторезистивных запоминающих устройствах с произвольным доступом (MRAM) используется схема переключения, индуцированная магнитным полем, которая была коммерциализирована в 2006 году. Эти функции обещают создание высокопроизводительных и маломощных искусственных нейронных сетей, которые адаптивны благодаря непрерывному обучению и устойчивости к воздействиям окружающей среды. В то же время разнообразие физических аспектов устройств спинтроники делает их различные составляющие искусственными нейронными сетями, неограниченными до искусственных синапсов. Системы спинтроники или магнитных материалов обычно представляют цифровую информацию как направление намагниченности. Синаптическое устройство работает за счет спин-орбитального крутящего момента и состоит из двухслойной системы антиферромагнетик/ферромагнетик, позволяющей аналогово управлять состоянием намагниченности с помощью электрического тока.
Устройства спинтроники нуждаются в эффективном способе электрического управления намагничиванием. Индуцированное STT переключение намагниченности в магнитных туннельных переходах является ведущим примером и позволило успешно разработать STT-MRAM. Между тем, недавние исследования показали, что крутящий момент, возникающий в результате спин-орбитальных взаимодействий, спин-орбитальный крутящий момент (SOT), также обеспечивает многообещающий способ вызвать переключение намагниченности. SOT возникает, когда встречается плоскостной ток к магнитным кристаллам с нецентросимметричными или магнитными гетероструктурами с нарушенной пространственной инверсионной симметрией, которые имеют значительное спин-орбитальное взаимодействие. Происхождение SOT в гетероструктурах все еще обсуждается и может варьироваться от одной системы к другой.
Динамическая реконфигурация мемристивных искусственных синапсов может имитировать как аналоговую синаптическую, так и нейронную активность. Их можно использовать в качестве узловых и терминальных устройств в искусственной нейронной сети. Для создания мемристивных нейроморфных аппаратных систем важна способность понимать, контролировать и использовать основные принципы переключения и различные типы архитектуры мемристоров.
