[論文レビュー] Ultra-low Power Domain Wall Device for Spin-based Neuromorphic Computing

Durgesh Kumar, Chung Hong Jing+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2020

Magnetic properties of thin films参考文献 40被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、β-Wスピンホール材料を用いたスピントロニクスドメインウォールデバイスを提示し、超低消費電力ニューロモーフィックコンピューティングを実現する。材料とデバイスジオメトリを最適化することで、電流密度を1×10⁶ A/m²に低下させ、20 µm移動に0.4 fJのエネルギーでドメインウォールを駆動することに成功—これは0.4 aJ/bitに相当—、電流密度が10,000倍低減され、スピンベースの合成的デバイスのエネルギー効率化への道筋を示している。

ABSTRACT

Neuromorphic computing (NC) is gaining wide acceptance as a potential technology to achieve low-power intelligent devices. To realize NC, researchers investigate various types of synthetic neurons and synaptic devices such as memristors and spintronic domain wall (DW) devices. In comparison, DW-based neurons and synapses have potentially higher endurance. However, for realizing low-power devices, DW motion at low energies - typically below pJ/bit - are needed. Here, we demonstrate domain wall motion at current densities as low as 1E6 A/m2 by tailoring the beta-W spin Hall material. With our design, we achieve ultra-low pinning fields and current density reduction by a factor of 10000. The energy required to move the domain wall by a distance of about 20 micrometers is 0.4 fJ, which translates into energy consumption of 0.4 aJ/bit for a bit-length of 20 nm. With a meander domain wall device configuration, we have established a controlled DW motion for synapse applications and have shown the direction to make ultra-low energy spin-based neuromorphic elements.

研究の動機と目的

• 高耐久性およびスケーラビリティを備えた、低エネルギー消費のスピントロニクスデバイスをニューロモーフィックコンピューティング用に開発すること。
• 既存のドメインウォールベースの合成的デバイスにおける高いエネルギー消費という課題に対処すること。
• スピンホール材料およびデバイスジオメトリを最適化することで、ドメインウォール移動に必要な電流密度を低減すること。
• 実用的なニューロモーフィック応用に向け、1ビットあたりサブピコジュールのエネルギー消費を達成すること。

提案手法

• 効率的なスピン電流を生成するために、βタングステン（β-W）をスピンホール材料として採用すること。
• ドメインウォールの運動を閉じ込めかつ制御できるミミッカー型ナノワイヤ構造を設計すること。
• ピン留まり磁場を最小限に抑え、電流密度要件を低減するために材料界面を最適化すること。
• 最小限の電気的入力でドメインウォールを駆動するためにスピンホール効果を応用すること。
• 制御された電流密度で20 µm移動したドメインウォールの移動を測定し、エネルギー消費を評価すること。
• 有限要素シミュレーションと実験的検証を組み合わせ、エネルギー効率およびデバイス制御の妥当性を確認すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最適化されたスピンホール材料を用いることで、1×10⁶ A/m²未満の電流密度でドメインウォールの運動を達成できるか？
• RQ2 スピントロニクスデバイスにおいて、実用的な距離を移動させるために必要な最小エネルギーは何か？
• RQ3 ミミッカー型ジオメトリは、合成的応用に適した制御性・低エネルギーのドメインウォール運動をどのように実現するか？
• RQ4 材料および界面の最適化によって、ピン留まり磁場はどの程度低減できるか？
• RQ5 ニューロモーフィックコンピューティングに向け、ドメインウォールデバイスのエネルギー効率を数個のオーダー改善できるか？

主な発見

• デバイスは電流密度1×10⁶ A/m²でドメインウォールの運動を達成し、従来のデバイスと比較して10,000倍の低減を実現した。
• ドメインウォールを20 µm移動させるために必要なエネルギーは0.4 fJであり、20 nmビット長さに対応する0.4 aJ/bitに相当する。
• 適切に設計されたβ-W材料と界面の最適化により、超低ピン留まり磁場が達成された。
• ミミッカー型デバイス構成により、合成的応用に適した制御性・決定論的なドメインウォール運動が可能になった。
• 0.4 aJ/bitというエネルギー効率は、実用的なニューロモーフィックシステムに必要なpJ/bitの閾値をはるかに下回っている。
• 本結果は、超低消費電力で高耐久性のスピンベースニューロモーフィックハードウェア実現への実現可能性を示している。