Исследователи Университета Тохоку (Япония) и Национального института стандартов и технологий (США) сообщили о создании первого в мире кремниевого спинтронного бита — основного компонента вероятностных компьютеров, — и экспериментально подтвердили его работу. Это открывает путь к созданию крупномасштабных спинтронных p-компьютеров для таких применений, как ИИ и машинное обучение.

Вероятностные или p-компьютеры (probabilistic computer) — новый тип вычислительных систем, которые оперируют вероятностями, а не фиксированными значениями 0 и 1, как классические компьютеры. Используемые в них спинтронные вероятностные биты (p-биты), стохастически (случайно) переключаются между этими значениями благодаря физическим флуктуациям сверхпарамагнитного туннельного перехода. Системы, имитирующие поведение математической модели статистической физики, описывающей намагничивание и фазовые переходы (модели Изинга), автоматически стремятся к оптимальным решениям за счет параллельного обновления множества p-битов. P-компьютеры создаются из обычных компонентов, совместимых в производстве с полупроводниковыми процессами, работают при комнатных температурах, обладают гораздо меньшим, чем квантовые системы, энергопотреблением.

Многие новые вычислительные задачи требуют эффективного исследования огромного количества возможных состояний. Традиционные компьютеры, обрабатывающие двоичную информацию (0 или 1) последовательно, не всегда хорошо подходят для таких высокопараллельных задач в отличие от p-компьютеров, где все p-биты обновляются параллельно и одновременно. Спинтроника (где спин электрона наравне с его зарядом используется для получения, обработки, передачи и хранения информации) считается особенно перспективной среди ряда технологий, поскольку наноразмерные магнитные устройства могут естественным образом генерировать вероятностное поведение посредством магнитных флуктуаций.

Исследователи создали спинтронные p-биты на кремниевом чипе. Транзисторы и нижние межсоединительные слои изготовлены с использованием 130-нм КМОП-процесса компании SkyWater Technology, а суперпарамагнитные наноустройства и верхние электроды они интегрировали, применяя технологии Университета Тохоку.

Авторы работы подтвердили, что созданный ими спинтронный p-бит действительно работает как вероятностный бит, продемонстрировав два его фундаментальных свойства: стохастические флуктуации во времени выходного напряжения и управляемость усредненного по времени выходного напряжения с помощью входного напряжения. Это первая в мире демонстрация спинтронного p-бита, монолитно изготовленного на кремниевом чипе с использованием технологий полупроводниковых интегральных схем.

Полученные результаты, опубликованные в журнале IEEE Electron Device Letters, демонстрируют значительно более перспективный подход к масштабированию спинтронных p‑компьютеров в сравнении с нынешними собранными вручную лабораторными прототипами.