[논문 리뷰] Ultra-low Power Domain Wall Device for Spin-based Neuromorphic Computing

Durgesh Kumar, Chung Hong Jing외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 24.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 40인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초저전력 뉴로모픽 계산을 위한 슈퍼저전력 스핀트로닉스 도메인 월 장치를 제안한다. 베타-W 스핀홀 효과 재료를 사용하여 재료와 장치 기하구조를 설계함으로써 전류 밀도를 1×10⁶ A/m²로 감소시키고, 20 µm 이동에 대해 단지 0.4 fJ의 에너지만을 소비하여 도메인 월을 이동시켰다—비트당 0.4 aJ에 해당한다—이로써 전류 밀도는 10,000배 감소하였으며, 에너지 효율적인 스핀 기반 시냅스 장치의 길을 열었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고내구성 및 확장 가능성을 갖춘 저에너지 스핀트로닉스 장치를 개발하여 뉴로모픽 계산에 활용한다.
• 기존의 도메인 월 기반 시냅스 장치에서의 높은 에너지 소비 문제를 해결한다.
• 스핀홀 재료와 장치 기하구조를 최적화하여 도메인 월 이동에 필요한 전류 밀도를 감소시킨다.
• 실용적인 뉴로모픽 응용을 위해 비트당 피코줄 이하의 에너지 작동을 달성한다.

제안 방법

• 효율적인 스핀 전류를 생성하기 위해 베타-tungsten(bet-W)을 스핀홀 재료로 활용한다.
• 도메인 월 이동을 봉인하고 제어하기 위해 메ander형 나노와이어 구조를 설계한다.
• 고정장(핀닝 필드)을 최소화하고 전류 밀도 요구 조건을 낮추기 위해 재료 인터페이스를 공학한다.
• 최소한의 전기 입력으로 도메인 월 이동을 유도하기 위해 스핀홀 효과를 적용한다.
• 제어된 전류 밀도에서 20 µm 이동 동안 도메인 월 이동에 따른 에너지 소비를 측정한다.
• 유한요소 시뮬레이션과 실험적 검증을 통해 에너지 효율성과 장치 제어 성능을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최적화된 스핀홀 재료를 사용하여 전류 밀도가 1×10⁶ A/m² 이하에서 도메인 월 이동을 달성할 수 있는가?
• RQ2 스핀트로닉스 장치에서 실용적인 거리만큼 도메인 월을 이동시키기 위해 필요한 최소 에너지는 얼마인가?
• RQ3 메ander형 기하구조는 시냅스 응용에 적합한 제어된 저에너지 도메인 월 이동을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ4 재료 및 인터페이스 공학을 통해 고정장(핀닝 필드)는 얼마나 감소시킬 수 있는가?
• RQ5 뉴로모픽 계산을 위해 도메인 월 장치의 에너지 효율성을 수십만 배 이상 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 장치는 전류 밀도 1×10⁶ A/m²에서 도메인 월 이동을 달성하였으며, 이는 기존 장치 대비 10,000배 감소한 것이다.
• 도메인 월을 20 µm 이동시키는 데 소요되는 에너지는 0.4 fJ이며, 이는 20 nm 비트 길이 기준 비트당 0.4 aJ에 해당한다.
• 맞춤형 베타-W 재료와 인터페이스 공학을 통해 초저고정장(핀닝 필드)이 달성되었다.
• 메ander형 장치 구성은 시냅스 응용에 적합한 제어된 결정론적 도메인 월 이동을 가능하게 하였다.
• 비트당 0.4 aJ의 에너지 효율성은 실용적인 뉴로모픽 시스템에 요구되는 피조울(10⁻¹² J) 비트당 이론의 기준을 크게 밑도는 것이다.
• 결과적으로 초저전력 고내구성 스핀 기반 뉴로모픽 하드웨어를 위한 실현 가능한 길을 제시하였다.