Un nuovo materiale, impiegato nell’informatica neuromorfica, potrebbe creare “neuroni” e “sinapsi” per nuovi computer
I computer classici usano valori binari (0/1) per il loro funzionamento. Al contrario, le nostre cellule cerebrali possono utilizzare più valori per operare, rendendoli più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai computer. Questo è il motivo per cui gli scienziati sono interessati all’informatica neuromorfica (simile al cervello).
I fisici dell’Università di Groningen (Paesi Bassi) hanno usato un ossido complesso per creare elementi paragonabili ai neuroni e alle sinapsi del cervello; questo usando gli spin, una proprietà magnetica degli elettroni. I loro risultati sono stati pubblicati il 18 maggio sulla rivista Frontiers in Nanotechnology.
Anche se i computer possono fare calcoli semplici molto più velocemente degli esseri umani, il nostro cervello supera le macchine al silicio in compiti come il riconoscimento degli oggetti. Inoltre, il nostro cervello usa meno energia dei computer. Parte di questo può essere spiegato dal modo in cui opera il nostro cervello: mentre un computer usa un sistema binario (con valori 0 o 1), le cellule cerebrali possono fornire segnali più analogici con una gamma di valori.
Informatica neuromorfica: Pellicole sottili
“Il funzionamento del nostro cervello può essere simulato nei computer, ma l’architettura di base si affida ancora a un sistema binario. Questo è il motivo per cui gli scienziati cercano modi per espandere tale sistema, creando un hardware che sia più simile al cervello, ma che si interfacci anche con i normali computer. Un’idea è quella di creare bit magnetici che possano avere stati intermedi“, dice Tamalika Banerjee, professoressa di Spintronica dei materiali funzionali all’Istituto Zernike per i materiali avanzati dell’Università di Groningen. Lei lavora sulla spintronica, che utilizza una proprietà magnetica degli elettroni chiamata ‘spin’ per trasportare, manipolare e memorizzare informazioni.
In questo studio, un suo studente e dottorando universitario, Anouk Goossens, primo autore dell’articolo, ha creato film sottili di un metallo ferromagnetico (ossido di stronzio-rutenato, SRO) cresciuto su un substrato di ossido di titanato di stronzio.
“Il film sottile risultante conteneva domini magnetici che erano perpendicolari al piano del film. Questi possono essere commutati in modo più efficiente dei domini magnetici in piano”; spiega Goossens. “Adattando le condizioni di crescita, è possibile controllare l’orientamento dei cristalli nella SRO. In precedenza, i domini magnetici fuori piano sono stati realizzati con altre tecniche, ma queste richiedono tipiche strutture a strati complesse”.
Anisotropia magnetica
I domini magnetici possono essere commutati usando una corrente attraverso un elettrodo di platino sulla parte superiore della SRO.
Goossens: “Quando i domini magnetici sono orientati perfettamente perpendicolari al film, questa commutazione è deterministica: l’intero dominio cambierà. Tuttavia, quando i domini magnetici sono leggermente inclinati, la risposta è probabilistica: non tutti i domini sono uguali, e valori intermedi si verificano quando solo una parte dei cristalli nel dominio ha commutato”.
“Scegliendo varianti del substrato su cui viene coltivato l’SRO, gli scienziati possono controllare la sua anisotropia magnetica. Questo permette loro di produrre due diversi dispositivi spintronici. Questa anisotropia magnetica è esattamente ciò che volevamo”. Afferma Goossens. “La commutazione probabilistica è paragonabile a come funzionano i neuroni, mentre la commutazione deterministica è più simile a una sinapsi”.
Gli scienziati si aspettano che in futuro, l’hardware del computer simile al cervello possa essere creato combinando questi diversi domini in un dispositivo spintronico che può essere collegato a circuiti standard basati sul silicio. Inoltre, la commutazione probabilistica permetterebbe anche il calcolo stocastico, una tecnologia promettente che rappresenta valori continui tramite flussi di bit casuali. Banerjee: “Abbiamo trovato un modo per controllare gli stati intermedi, non solo per la memoria ma anche per il calcolo”.
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