使用Skyrmion創建用于神經形態計算的人工突觸

Skyrmion是2009年在實際材料中首次發現的超穩定原子物體，最近還發現它們在室溫下也存在。這些獨特的物體具有許多理想的特性，包括相當小的閾值電壓，納米級尺寸和易于電操縱的特性。盡管這些特性對于創建廣泛的電子產品可能是有利的，但迄今為止，使用天窗離子開發功能齊全的全電子設備已經證明是非常具有挑戰性的。天體離子的一種可能應用是在神經形態計算中，這需要創建類似于人腦中觀察到的人工結構。

考慮到這一點，韓國科學技術研究院(KIST)的研究人員最近研究了使用天rm子復制在人腦中觀察到的機制的可能性。他們發表在《自然電子》上的論文表明，這些超穩定的原子結構可用于模仿生物突觸的某些行為，這些突觸是神經元之間的連接，神經沖動通過神經元的連接傳遞到人腦的不同部位。

進行這項研究的研究人員之一，現在在IBM工作的Seonghoon Woo表示：“自發現以來，已經有一些對天蝎子進行電操縱的演示，這表明它們可以用于制造功能齊全的設備。” TechXplore。“與此同時，我們經歷了神經形態計算研究的增加，這表明可以使用稱為“憶阻器”的模擬存儲設備來顯著提高計算效率。由于使用現有模擬存儲器的其他技術仍處于早期階段在開發過程中，我們認為基于Skyrmion的憶阻器由于其理想的特性可能是一種解決方案。”

大腦中的神經元使用神經遞質(化學物質將神經學信息從一個細胞傳遞到另一個細胞)在突觸之間進行通訊。在研究人員創造的人工突觸中，每個天敵星都充當神經遞質。

通過使用最小的電力來控制系統中的Skyrmion數量，研究人員能夠模擬在生物突觸中觀察到的兩種機制，即它們的增強和抑制行為，這是由神經遞質重量變化觸發的。這些行為是通過引發天敵離子的積累和消散而復制的，從而導致系統重量的變化，從而導致系統內存的變化。

Woo說：“在我們的研究中，我們明確地將基于skyrmion的突觸與其他基于非易失性存儲器的更成熟的技術(例如相變存儲器或電阻式存儲器)進行了比較。” “盡管是初步的，但我們的研究表明，基于天rm子的設計可能在重要指標上具有優勢，包括耐久性，線性度和器件間差異性，這些現在已成為基于PRAM或RRAM的設計中的關鍵瓶頸。”

到目前為止，Woo和他的同事們已經通過一系列仿真在芯片級上測試了人工突觸的性能。他們發現他們的表現非常出色，尤其是在模式識別任務上。

“考慮到目前大多數基于憶阻器的神經形態計算研究都是基于PRAM或RRAM，我認為我們研究的最有意義的成就是，我們展示了一種基于自旋結構創建神經形態計算工具的新方法，” Woo說。

在某些模式識別任務中，由Woo和他的同事創建的人工突觸所達到的精確度可與其他先進的計算工具所達到的精確度相媲美。將來，這些結構可以促進新型高性能人工神經網絡(ANN)的開發。

Woo補充說：“ Skyrmions的眾多優勢之一是，在理想的材料中，它們可以具有非常小的尺寸范圍(低至單個納米)和能量范圍。” “這一特性可以很快大大減少神經形態計算應用的運算能量。”