Spintronicus Hidekazu Kurebayashi (afb: UCL)

De snelle opkomst van kunstmatige intelligentie en aanverwante technologieën heeft een prijs: een immer stijgende energiehonger. Toepassingen zoals ChatGPT en complexe optimalisatiealgoritmen jagen het elektriciteitsverbruik van datacentra wereldwijd omhoog. Onderzoekers zijn daarom op zoek naar nieuwe benaderingen voor efficiëntere computersystemen. Een veelbelovende richting is het spintronische rekentuig. Hidekazu Kurebayashi van het universiteitscollege in Londen en collega’s lijken wel wat te zien in het spintronische alternatief.
De computers van vandaag werken met binaire codes (=bits) die bestaan ​​uit nullen en enen. Transistoren doen het feitelijke (digitale) rekenwerk. Maar die digitale systemen lijken zo langzamerhand aan de grenzen van hun mogelijkheden te zijn aanbeland (al is dat natuurlijk al vaker aangekondigd; as).
Spintronica hanteert een andere aanpak. Die techniek maakt niet alleen gebruik van de elektrische lading van elektronen, maar ook van hun magnetische (en kwantummechanische) eigenschap, de spin. Deze extra vrijheid opent nieuwe mogelijkheden voor het opslaan en verwerken van informatie.
Magnetische materialen bezitten eigenschappen die interessant zijn voor moderne informaticabenaderingen. Ze zijn niet-vluchtig, reageren snel en vertonen complexe dynamische eigenschappen zoals niet-lineariteit, willekeurigheid en terugkoppeling. Dergelijke eigenschappen kunnen worden gebruikt voor neuromorfische (hersencelachtige) en waarschijnlijkheidsmethoden; algoritmen die gebaseerd zijn op de werking van biologische zenuwstelsels of die bewust met onzekerheden werken.

Vlak Isingmodel van elektronenspins (afb: WikiMedia Commons)

Het overzicht van de spintronica presenteert potentiële bouwstenen voor dergelijke systemen, waaronder spintronische neuronen en synapsen (contactpunten tussen hersencellen, in dit geval spintronische), waarschijnlijkheidsbits (p-bits) en grotere computerarchitecturen zoals magnetisch reservoirrekenen of machines die gebouwd zijn op basis van het Isingmodel die weinig problemen zouden hebben met complexe optimalisatievraagstukken.
“We onderzoeken met name hoe reservoirrekenen kan worden uitgevoerd met magnetische structuren zoals skyrmionen,” zegt medeonderzoekster Karin Everschor-Sitte van de universiteit van Duisburg-Essen. “Een belangrijk onderdeel van ons werk is ook het ontwikkelen van nieuwe parameters die een betrouwbare evaluatie van de prestaties van dergelijke systemen mogelijk maken.”

Een voordeel van deze technologie zou zijn dat veel spintronische componenten kunnen worden gecombineerd met bestaande halfgeleiderprocessen. Magnetische tunnelcontacten zijn al geïntegreerd in commerciële geheugentechnologieën en kunnen worden opgenomen in conventionele CMOS-productieprocessen.

Problemen

Tegelijkertijd staan ​​onderzoek en ontwikkeling nog steeds nog maar in de kinderschoenen. Er zijn nogal wat problemen die moeten worden opgelost zoals de optimale afstemming van materialen (typische een gevalletje van een spintronisch rekentuig; as), componenten en algoritmen, evenals geschikte evaluatiecriteria om de prestaties van nieuwe technologie te vergelijken met bestaande systemen.

Op de lange termijn zien deskundigen spingebaseerde technologieën niet als een vervanging voor klassieke computers, maar als een aanvulling. Hybride benaderingen, die verschillende fysieke informatische principes combineren, lijken bijzonder veelbelovend. Spintronische systemen zouden zo op een zuiniger manier kunnen bijdragen aan het voldoen aan de groeiende rekenbehoeften van moderne energievretende toepassingen zoals ki.

Bron: idw-online.de