Una delle grandi sfide nell'architettura dei computer è l'integrazione di storage, memoria ed elaborazione in un'unica unità. Ciò renderebbe i computer più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico. I fisici dell'Università di Groningen hanno compiuto un grande passo avanti verso questo obiettivo combinando un semiconduttore di titanato di stronzio drogato con niobio (SrTiO3) con cobalto ferromagnetico. All'interfaccia, questo crea uno spin-memristore con capacità di memorizzazione, aprendo la strada alle architetture di calcolo neuromorfiche. I risultati sono stati pubblicati il ​​22 gennaio in Rapporti scientifici .

Il dispositivo sviluppato dai fisici combina l'effetto memristore dei semiconduttori con un fenomeno basato sullo spin chiamato magnetoresistenza anisotropica tunneling (TAMR) e funziona a temperatura ambiente. Il semiconduttore SrTiO3 ha una resistenza variabile non volatile quando interfacciato con il cobalto:un campo elettrico può essere utilizzato per cambiarlo da bassa ad alta resistenza e viceversa. Questo è noto come effetto di elettroresistenza.

Per di più, quando un campo magnetico è stato applicato attraverso la stessa interfaccia, dentro e fuori dal piano del cobalto, questo ha mostrato una regolazione della tensione di spin TAMR di 1.2 mV. Questa coesistenza di un grande cambiamento nel valore di TAMR e dell'elettroresistenza attraverso lo stesso dispositivo a temperatura ambiente non è stata precedentemente dimostrata in altri sistemi di materiali.

"Ciò significa che possiamo memorizzare informazioni aggiuntive in modo non volatile nel memristor, creando così un dispositivo spin-memristore integrato molto semplice ed elegante che funziona a temperatura ambiente, " spiega Tamalika Banerjee, professoressa di Spintronica dei materiali funzionali. Lavora presso lo Zernike Institute for Advanced Materials presso l'Università di Groningen. Finora, tentativi di combinare l'archiviazione basata su spin, la memoria e l'elaborazione sono state ostacolate da un'architettura complessa oltre ad altri fattori.

La chiave del successo del dispositivo del gruppo Banerjee è l'interfaccia tra il cobalto e il semiconduttore. "Abbiamo dimostrato che uno strato isolante di ossido di alluminio dello spessore di un nanometro fa scomparire l'effetto TAMR, " dice Banerjee. Ci è voluto un po' di lavoro per progettare l'interfaccia. Lo hanno fatto regolando il drogaggio al niobio del semiconduttore e quindi il potenziale panorama all'interfaccia. La stessa coesistenza non può essere realizzata con il silicio come semiconduttore:"Tu hanno bisogno degli atomi pesanti in SrTiO3 per l'accoppiamento spin-orbita all'interfaccia che è responsabile del grande effetto TAMR a temperatura ambiente".

Questi dispositivi potrebbero essere utilizzati in un'architettura di computer simile al cervello. Agirebbero come le sinapsi che collegano i neuroni. La sinapsi risponde a uno stimolo esterno, ma questa risposta dipende anche dalla memoria della sinapsi degli stimoli precedenti. "Stiamo ora valutando come creare un'architettura di computer ispirata alla bio-ispirazione basata sulla nostra scoperta". Un tale sistema si allontanerebbe dall'architettura classica di Von Neumann. Il grande vantaggio è che dovrebbe utilizzare meno energia e quindi produrre meno calore. "Questo sarà utile per l'"Internet delle cose, "dove collegare diversi dispositivi e reti genera quantità di calore insostenibili."

La fisica di ciò che accade esattamente all'interfaccia tra il cobalto e il semiconduttore di stronzio è complicata, e più lavoro deve essere fatto per capirlo. Banerjee:"Una volta capito meglio, saremo in grado di migliorare le prestazioni del sistema. Ci stiamo attualmente lavorando. Ma funziona bene così com'è, quindi stiamo anche pensando di costruire un sistema più complesso con tali spin-memristori per testare algoritmi reali per capacità cognitive specifiche del cervello umano." Il dispositivo di Banerjee è relativamente semplice. Scalarlo fino a un'architettura di calcolo completa è il prossimo grande passo.

Come integrare questi dispositivi in ​​un'architettura di elaborazione parallela che mima il funzionamento del cervello è una domanda che affascina Banerjee. "Il nostro cervello è un computer fantastico, nel senso che può elaborare grandi quantità di informazioni in parallelo con un'efficienza energetica di gran lunga superiore a quella di un supercomputer." Le scoperte del team di Banerjee potrebbero portare a nuove architetture per l'informatica ispirata al cervello.