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美国首次研制出可实现随机计算的关键器件
2018-01-09

[据美国电气与电子工程师协会科技纵览网站201815日报道]美国明尼苏达大学的研究人员表示,他们在随机计算方面取得了巨大进步。随机计算利用随机位进行计算,其电路更加简单、功耗更低,而且对错误有着更高容忍度。该计算方式在20世纪60年代被首次提出,但由于缺少合适的器件使其始终无法实用化。

201712月在旧金山举行的2017年电气与电子工程师协会国际电子器件会议上,明尼苏达大学的王建平教授和其博士生杨吕扬报告说,他们研制出一种类似于磁性随机存储器(MRAM)的器件,可以在四个逻辑输入上执行随机计算的加法和乘法操作。

磁性随机存储器单元是一种称为磁性隧道结的纳米级双端口器件。与许多器件一样,其基本上是一种三明治结构,由铁磁层、非铁磁层、铁磁层三层构成。顶层和底层的磁化方向是关键。如果它们方向相同,电流就可以在极低的阻抗下从一层遂穿到另一层。如果顶层和底层的磁化方向相反,阻抗就会很大。MRAM可以存储数据,其中一个磁层的方向可以在某种电流作用下翻转。然而,当将数据写入MRAM的存储单元时,单元有可能不会切换到期望的方向。这是该器件作为存储器时的一个问题。

明尼苏达大学的研究人员并没有抑制磁隧道结的这种随机特性,而是加以利用。他们设计了一个可产生随机比特串的单元,这些随机比特串可用于携载和计算信息。

以前的随机计算研究通过将一系列随机逻辑电路作为随机数发生器。在这样的系统中,值被表示为概率,例如数值4将由看似随机的100位比特串表示,其中约40位是1。很容易看出,随机计算几乎不受一两个数据位翻转的影响,因为这种简单错误对以概率表达的结果几乎不会带来什么不同。同时,随机计算也使某些种类的计算变得不那么复杂。例如,将两个数字相乘,可以简单地用一个“与门”来完成。

吕杨表示:“到目前为止,涉及新型自旋电子器件的大多数随机计算方案,都采用自旋器件作为随机发生器,但仍然使用传统逻辑门作为计算部分,而我们追求在单个磁性隧道结单元中同时实现随机生成和计算功能。

他们验证了隧道结的随机性可以通过电流脉冲的振幅与宽度,通过隧道结的偏压电流,以及偏压磁场等四个独立的值来调节。随机数据可以很容易用一些简单电路进行转换。当具体实验时,他们发现该器件可以将输入值相加为脉冲幅度、偏置电流和偏置磁场。然后,这个三重求和的结果被乘以脉冲宽度所代表的值,从而产生了随机计算形式的答案——一个1以特定概率出现的随机位串。

他们在实验室里研制并测试了磁性隧道结随机计算单元,但为了真正了解它们能做什么,他们与芯片制造商格罗方德公司进行了合作。格罗方德公司有在微处理器和其他芯片上制造嵌入式MRAM的商用工艺,王建平也希望为这种存储器找到一种进行计算的实用方式。他说:“原则上,我们在实验室里所做的,格罗方德公司在不久的将来就能实现商业化制造。

在最近一波研究中,明尼苏达大学验证了单个磁性隧道结的随机计算单元,以利用纳米级器件的固有随机性以新方式实现计算。美国普渡大学和美国加州大学伯克利分校提出利用一种具有热不稳定性的磁隧道结和一个晶体管,形成所谓的p(p-bit),这种结构具有让逻辑电路即能正向又能反向工作的奇特能力。日本大阪大学则利用碳纳米管连接之间的可调随机性来增强传感能力,并相信该技术也有助于计算发展。惠普实验室的研究人员证明,一种特殊的忆阻器具有可控的混沌行为。当他们模拟这些被称为模拟计算引擎的网络时,混沌加快了数学领域中著名问题“旅行推销员问题”的解决速度。(工业和信息化部电子第一研究所  王巍)

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