Tým fyziků z Francie, Japonska a Spojených států vytvořil spintronické mikrozařízení o průměru pouhých 375 nanometrů a použil jej k rozpoznávání řeči. Zařízení funguje jako spintronický oscilátor a chová se podobně jako neurony v lidském mozku. Vytvořený systém je tak považován za první neuromorfní počítač, jehož základem jsou prvky o rozměrech nanometrů.
Spintronika je dynamicky se rozvíjející obor elektroniky využívající spinu elektronů k uchovávání, přenosu a zpracovávání informací. Jelikož spin elektronu nabývá pouze diskrétních hodnot, je možné jej použít k ukládání informací. Pokud by se podařilo spolehlivě zvládnout technickou stránku spintroniky, umožnilo by to konstrukci velmi kompaktních a výkonných elektronických obvodů a počítačů.
Základní jednotky mozku v podobě neuronů a synapsí tvoří jako celek programovatelný systém, jenž je schopen se přizpůsobovat podle dodávaných dat. Při opakovaném dodávání je mozek schopen data zpracovávat stále rychleji a efektivněji. Neuromorfní počítače se snaží činnost lidského mozku napodobovat. Oproti konvenčním počítačům tak mohou být znatelně rychlejší, méně energeticky náročné a dokáží úspěšněji řešit úlohy, na které nebyly předem naprogramovány.
Základem spintronického neuromorfního počítače je spintronický oscilátor. Ten se skládá z nemagnetické vrstvy materiálu uzavřené mezi dvěma feromagnetickými vrstvami, které jsou magnetizovány v různých směrech. Když se na oscilátor přiloží napětí, z jedné feromagnetické vrstvy teče spinově polarizovaný proud přes nemagnetickou vrstvu do druhé feromagnetické vrstvy. Spinově polarizovaný proud vzniká tak, že při průchodu proudu feromagnetikem je jedna ze dvou možných spinových orientací elektronů vzhledem ke směru magnetizace pohlcována více než druhá. To vyvolá točivý moment působící na druhou magnetickou vrstvu a způsobí, že magnetizace vykazuje precesi na mikrovlnných frekvencích. Precese je fyzikální jev, při němž se působením vnějších sil mění orientace osy setrvačníku v prostoru. Zmíněná precese se monitoruje jako oscilující napětí, které vzniká napříč prvkem.
Pro vznik těchto oscilací je potřeba určitý minimální proud. Když proud překročí tuto prahovou hodnotu, roste amplituda oscilujícího napětí jako druhá odmocnina hodnoty proudu. Existence tohoto prahového proudu a nelineární odezva jsou charakteristiky podobné těm, které platí pro chování neuronů v mozku. To je jedním z důvodů, proč se spintronické oscilátory hodí jako stavební prvky pro neuromorfní počítače. Tým fyziků z Francie, Japonska a Spojených států toho teď využil k rozpoznávání řeči.
Proces rozeznávání řeči začíná mluveným slovem, které je zachyceno mikrofonem, digitalizováno a zpracováno tak, aby se vytvořil elektrický proud. Tento proud je pak zaveden do spintronického oscilátoru, kde se vytvoří oscilující napětí. Jeho průběh je pak analyzován počítačem se samoučícím programem.
Fyzikální tým sledoval, jak je počítač schopen rozpoznat číslovky jedna až devět, pokud je vyslovuje několik různých lidí. Pokud byl vstupní signál předem zpracován prostřednictvím nelineárního kochleárního filtru, který představuje standard v tomto druhu aplikací, systém dosáhl rozlišení na úrovni 99,6 %. Podle týmu jde o velký úspěch, a dokonce o lepší výsledek, než jaký je normálně dosahován použitím daleko komplikovanějších systémů.
Vzhledem k tomu, že jsou prvky submikronových rozměrů, mohou být oscilátory vyráběny stejnými výrobnímu technologiemi jako konvenční počítačové čipy. To by v praxi umožnilo umístit stovky milionů oscilátorů na čip velikosti palce. Navíc spintronické oscilátory nabízejí na rozdíl jiných oscilátorů podobných rozměrů činnost s nízkým šumem a vysokou stabilitu, a také mají nízké nároky na energii.
Původní práce byla uveřejněna v Nature.
Mohlo by vás zajímat:
Fyzici
rozvinuli herkulánské svitky
Mravenčí
fyzika
Satelity
pomáhají předpovídat sopečné erupce
Číňané
zlomili rekord v délce kvantového provázání