محققان ژاپنی و آمریکایی نخستین تراشه اسپینترونیکی مبتنی بر سیلیکون جهان را توسعه دادند که میتواند راه را برای ساخت نسل جدید رایانههای احتمالاتی و سختافزارهای پیشرفته هوش مصنوعی هموار کند.
به گزارش سرویس فناوری تکناک، این دستاورد را پژوهشگران دانشگاه توهوکو ژاپن و مؤسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا (NIST) به دست آوردهاند. این تراشه نخستین p-bit یا «بیت احتمالاتی» اسپینترونیکی جهان محسوب میشود که با استفاده از فرایندهای متداول ساخت نیمههادیها روی یک تراشه سیلیکونی تولید شده است.
پژوهشگران اعلام کردند که عملکرد این p-bit را به صورت آزمایشی تأیید کردهاند. p-bit واحد پایه در رایانش احتمالاتی است؛ شاخهای از علوم رایانه و هوش مصنوعی که بر توسعه الگوریتمها و مدلهای احتمالاتی برای انجام محاسبات تمرکز دارد.
به گفته محققان، این فناوری میتواند مسیر توسعه رایانههای احتمالاتی اسپینترونیکی در مقیاس بزرگ را برای کاربردهایی مانند هوش مصنوعی و یادگیری ماشین فراهم کند.
رایانههای متداول امروزی دادهها را با استفاده از بیتهایی پردازش میکنند که تنها در یکی از دو حالت 0 یا 1 قرار دارند. این ساختار دودویی، پایه تمامی فناوریهای دیجیتال مدرن از جمله تلفنهای هوشمند، ابررایانهها، مراکز داده و سامانههای هوش مصنوعی را تشکیل میدهد. با وجود این، چنین سامانههایی در جستوجو میان تعداد بسیار زیادی از پاسخهای احتمالی با محدودیتهایی روبهرو هستند.
در مقابل، رایانههای احتمالاتی از p-bit استفاده میکنند. این عناصر الکترونیکی به طور تصادفی میان حالتهای 0 و 1 نوسان میکنند و با بهرهگیری از تصادفی بودن فیزیکی، میتوانند همزمان تعداد زیادی از حالتهای ممکن را بررسی نمایند. همین ویژگی آنها را برای کاربردهایی مانند هوش مصنوعی، یادگیری ماشین و مسائل بهینهسازی بسیار جذاب میکند.
در این میان، فناوری اسپینترونیک به عنوان یکی از امیدوارکنندهترین روشها برای ساخت رایانههای احتمالاتی مطرح شده است. این فناوری با استفاده از اسپین کوانتومی الکترونها و ویژگیهای مغناطیسی آنها، اطلاعات را پردازش و ذخیره میکند.
پژوهشگران تأکید کردند که دستگاههای مغناطیسی در مقیاس نانومتری میتوانند به صورت طبیعی رفتار احتمالاتی مورد نیاز p-bitها را از طریق نوسانات مغناطیسی ایجاد کنند.
رهبری این پژوهش را «جو-یانگ یون»، پژوهشگر آزمایشگاه نانوالکترونیک و اسپینترونیک دانشگاه توهوکو بر عهده داشت. این تیم با ترکیب فناوریهای ساخت نیمههادی و اسپینترونیک در ژاپن و آمریکا، موفق شد تجهیزات اسپینترونیکی را به صورت مستقیم روی یک تراشه سیلیکونی یکپارچه کند.
محققان برای ساخت ترانزیستورها و لایههای پایینی اتصالات داخلی، از فرایند CMOS با فناوری 130 نانومتری شرکت آمریکایی SkyWater Technology استفاده کردند. سپس نانودستگاههای سوپرپارامغناطیسی و الکترودهای بالایی را با بهرهگیری از تجهیزات ساخت اسپینترونیک در دانشگاه توهوکو به تراشه اضافه کردند.
آزمایشها نشان داد که تراشه تولیدشده دو ویژگی اصلی مورد نیاز برای عملکرد p-bit را در اختیار دارد. نخست اینکه خروجی ولتاژ آن در طول زمان نوسانات تصادفی از خود نشان میدهد و میتواند به صورت طبیعی میان حالتهای مختلف جابهجا شود.
ویژگی دوم نیز قابلیت کنترل میانگین خروجی از طریق اعمال ولتاژ ورودی است. این قابلیت به پژوهشگران اجازه میدهد میزان رفتار احتمالاتی تراشه را تنظیم کنند.
به گفته دانشمندان، این نخستین نمایش آزمایشی موفق از یک p-bit اسپینترونیکی است که به صورت یکپارچه و مستقیم روی تراشه سیلیکونی و با استفاده از فرایندهای متداول ساخت مدارهای مجتمع نیمههادی تولید شده است.
محققان معتقد هستند که این فناوری میتواند زمینهساز توسعه رایانههای احتمالاتی اسپینترونیکی بزرگتر و قدرتمندتر شود. آنها انتظار دارند با پیشرفت بیشتر فناوریهای ساخت مدار و افزایش تعداد p-bitهای یکپارچهشده روی تراشه، این رایانهها به مرحله استفاده عملی در مقیاس گسترده نزدیک شوند.
نتایج این پژوهش در نشریه علمی IEEE Electron Device Letters منتشر شده است.
