スピントロニクス: エントロピー解析によりナノ磁石の確率論的緩和時間を探る

2024年02月26日

確率論的コンピューティングデバイスの設計指針

機械学習や人工知能など、コンピューティングの用途が多様化し続ける中、計算の高エネルギー効率化や高速化に対する需要がますます高まっている。この課題に対処するための手法として、確率論的コンピューティングの利用が期待されており、特に、スピントロニクスを用いた省エネルギーな確率論的コンピューティングハードウェアに関する研究開発が進んでいる^1,2。

確率論的コンピューティングハードウェアの実装に向けたスピントロニクスデバイスの最近の研究として、2021年にAIMRの金井准教授らの研究チームが報告した、確率的磁気トンネル接合(s-MTJ)のビット情報保持時間に関する研究が挙げられる。確率論的コンピューティングにおいては、情報保持時間が短い程高速な計算が可能であり、本研究では、ナノ磁石のビット状態(「0」と「1」の状態)間の保持時間を短くするためのMTJの設計指針を明らかにした³。

金井准教授は、「私たちのアイデアは、エントロピーにより磁化ダイナミクスの確率論、特にその時間的な特徴量を定量化することでした。このアプローチは磁気システムの研究に適用されたことはありませんでした」と、研究の独創性について語る。

研究チームは、確率的磁化ダイナミクスのエントロピーを支配する普遍的な方程式を導出し、面内磁化容易かつ反磁場の大きいナノ磁石ではエントロピーが急速に増大することを発見した。これは、面内磁化容易の確率的MTJを用いることで情報保持時間を短縮可能である可能性を示している。

これらの理論的な成果に基づき、研究チームは数ナノ秒の情報保持時間を持つ確率的MTJデバイスを作製することに成功した。これは、同時期の標準的な確率的MTJと比較して、10万倍も高速であった⁴。

「情報保持時間に関する理論的研究により、高速な省エネルギー確率論的コンピューティングハードウェアの実現に一歩近づきました。継続した研究により、これらのデバイスの入出力特性や外部磁場に対する耐性を高めた設計指針を実験的に得ることに成功しました^5,6」と、金井准教授は一連の研究成果についてコメントしている。

（原著者：Patrick Han）

References

Camsari, K.Y., Faria R., Sutton, B.M., & Datta, S. Stochastic p-bits for invertible logic Phys. Rev. X 7, 031014 (2017). | article
Borders, W.A., Pervaiz, A.Z., Fukami S., Camsari, K.Y., Ohno, H. & Datta, S. Integer factorization using stochastic magnetic tunnel junctions Nature 573, 390 (2019). | article
Kanai, S., Hayakawa, K., Ohno, H. & Fukami, S. Theory of relaxation time of stochastic nanomagnets Physical Review B 103, 094423 (2021). | article
Hayakawa, K., Kanai, S., Funatsu, T., Igarashi, J., Jinnai, B., Borders, W.A., Ohno, H. & Fukami, S. Nanosecond random telegraph noise in in-plane magnetic tunnel junctions Physical Review Letters 126, 117202 (2021). | article
Kobayashi, K., Borders, W. A., Kanai, S., Hayakawa, K., Ohno, H. & Fukami, S. Sigmoidal curves of stochastic magnetic tunnel junctions with perpendicular easy axis Applied Physics Letters 119, 132406(1)-(5) (2021). | article
Funatsu, T., Kanai, S., Ieda, J., Fukami, S., & Ohno, H. Local bifurcation with spin-transfer torque in superparamagnetic tunnel junctions Nature Communications 13, 4079(1)-(8) (2022). | article

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