[论文解读] Memristive control of mutual SHNO synchronization for neuromorphic computing

Mohammad Zahedinejad, Himanshu Fulara+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2020

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 44被引用 6

一句话总结

本文提出基于忆阻器门控的自旋霍尔纳米振荡器（SHNO）技术，实现对同步阵列中单个振荡器频率和耦合强度的低功耗、可逆调节。通过利用电压控制的垂直磁各向异性（VCMA）和忆阻器开关特性，该方法实现了高达28 MHz/V的调谐能力，可在四单元链中实现相互同步的开关控制，并在单一平台上集成输入、调谐与非易失性存储功能，为可扩展的类脑计算提供支持。

ABSTRACT

Synchronization of large spin Hall nano-oscillators (SHNO) arrays is an appealing approach toward ultra-fast non-conventional computing based on nanoscale coupled oscillator networks. However, for large arrays, interfacing to the network, tuning its individual oscillators, their coupling, and providing built-in memory units for training purposes, remain substantial challenges. Here, we address all these challenges using memristive gating of W/CoFeB/MgO/AlOx based SHNOs. In its high resistance state (HRS), the memristor modulates the perpendicular magnetic anisotropy (PMA) at the CoFeB/MgO interface purely by the applied electric field. In its low resistance state (LRS), and depending on the voltage polarity, the memristor adds/subtracts current to/from the SHNO drive. The operation in both the HRS and LRS affects the SHNO auto-oscillation mode and frequency, which can be tuned up to 28 MHz/V. This tuning allows us to reversibly turn on/off mutual synchronization in chains of four SHNOs. We also demonstrate two individually controlled memristors to tailor both the coupling strength and the frequency of the synchronized state. Memristor gating is therefore an efficient approach to input, tune, and store the state of the SHNO array for any non-conventional computing paradigm, all in one platform.

研究动机与目标

• 解决大规模纳米级振荡器网络在非传统计算中缺乏可扩展、低功耗控制与内存集成的问题。
• 通过将非易失性存储直接嵌入基于SHNO的计算平台，突破冯·诺依曼架构中的存储瓶颈。
• 实现对SHNO振荡频率和耦合强度的动态、可逆调节，以支持自适应网络行为。
• 展示一种统一平台，通过W/CoFeB/MgO/AlOx SHNO的忆阻器门控实现输入、调谐与状态存储。
• 为面向边缘计算和类脑计算应用的大规模、相干且可训练的振荡器网络提供可扩展路径。

提出的方法

• 采用电子束光刻和离子束刻蚀技术，制备基于W/CoFeB/MgO/AlOx的具有纳米孔结构的SHNO器件。
• 通过2 nm的AlOx钝化层，将Ti/Cu双层栅极集成至具有忆阻行为的结构中，以实现对CoFeB/MgO界面的电场调控。
• 在高阻态（HRS）下利用电压控制磁各向异性（VCMA）调节垂直磁各向异性（PMA），从而实现对SHNO频率和自激振荡模式的调谐。
• 利用忆阻器的低阻态（LRS）向SHNO驱动电流中注入或抽取电流，实现对振荡幅度和频率的额外调节。
• 采用配备偏置-T、频谱分析仪（10 Hz–40 GHz）和Keithley源表的定制探针台，进行微波和直流测量，以表征忆阻器开关特性与SHNO响应。
• 通过电压扫描确认HRS与LRS之间稳定切换，同时采用电流限幅以确保忆阻器可靠工作与栅极接触完整性。

实验结果

研究问题

• RQ1 忆阻器门控能否实现在同步阵列中对SHNO振荡频率和耦合强度的动态、可逆调节？
• RQ2 同一忆阻器门控是否能同时提供输入、调谐与非易失性存储功能？
• RQ3 VCMA与通过忆阻器状态调节的电流调制，在单个器件中对SHNO动力学的独立控制程度如何？
• RQ4 能否通过忆阻器控制实现多振荡器SHNO链中相互同步的可逆开关？
• RQ5 忆阻器的双重功能（HRS用于PMA调制，LRS用于电流注入）如何实现可扩展、低功耗的类脑计算？

主要发现

• 忆阻器在高阻态（HRS）时，通过电场调制CoFeB/MgO界面的垂直磁各向异性（PMA），实现高达28 MHz/V的SHNO振荡频率调谐。
• 在低阻态（LRS）时，忆阻器根据电压极性向SHNO驱动电流中注入或抽取电流，从而实现对振荡幅度和频率的额外控制。
• 通过切换忆阻器状态，可实现四单元SHNO链中相互同步的可逆开启与关闭，证明了动态网络控制能力。
• 通过两个独立控制的忆阻器，可分别调节耦合强度与同步频率，证明了对网络行为的精细调控能力。
• 忆阻器门控方法在单一平台上实现了输入、调谐与非易失性存储的集成，无需外部存储，有效解决了冯·诺依曼瓶颈问题。
• 该系统支持可扩展的超低功耗运行，适用于边缘计算与类脑计算，具备向20 nm节点集成的潜力。