Clear Sky Science
הסברים מבוססי ראיות, עם מעט ז'רגון

Clear Sky Science · he

מחלפות-מנהור מגנטיות בגדלים ננומטריים שמאפשרות סינפסה מזכירה-מעמד ונוירון דליפה-אינטגרציה-ירי לחישוב נוירומורפי

· חזרה לאינדקס

מדוע רכיבים מגנטיים זעירים יכולים לשנות את החישוב

המכשירים החכמים של היום נשענים על שבבים שצורכים אנרגיה רבה ושממשיכים להעביר נתונים הלוך ושוב בין זיכרון למעבדים. מאמר זה חוקר דרך אחרת בהשראת המוח, שבה זיכרון וחישוב מתרחשים באותם רכיבים זעירים. החוקרים מראים כיצד רכיבים מגנטיים ננומטריים יכולים להתנהג גם כתאי מוח וגם כקישורים שמחברים ביניהם, ופתיחת נתיב לחומרה מהירה ויעילה למשימות כמו זיהוי מחוות.

Figure 1. חישוב בהשראת המוח עם רכיבים מגנטיים זעירים שמאחסנים ומעבדים מידע יחד על אותו שבב.
Figure 1. חישוב בהשראת המוח עם רכיבים מגנטיים זעירים שמאחסנים ומעבדים מידע יחד על אותו שבב.

מאותות מוח למעגלים בזקיקים

מוחות ביולוגיים מעבדים מידע באמצעות בזקיקים, פולסים חשמליים קצרים שעוברים בין נוירונים דרך סינפסות שעוצמתן מכווננת באופן רציף. וריאציות מלאכותיות של הרעיון הזה, הנקראות רשתות עצביות בזקיקי-ירי, יכולות בעקרון לפעול עם הרבה פחות אנרגיה מאשר שבבים של היום. אך רוב המערכות הנוכחיות עדיין משתמשות באלקטרוניקה קונבנציונלית, שמפרידה בין זיכרון לבין לוגיקה וצריכה הרבה טרנזיסטורים כדי לדמות אפילו נוירון או סינפסה יחידים. חוסר ההתאמה הזה מבזבז שטח ואנרגיה ופוגע בהבטחה של חישוב בהשראת המוח.

שימוש במגנטיות לאחסון ולעיבוד יחד

הצוות פונה למחלקה של טכנולוגיות זיכרון הידועה כמחלפות-מנהור מגנטיות, שבה ההתנגדות החשמלית תלויה בכיוון היחסי של שכבות מגנטיות זעירות. בבניית המחלפות הללו עם חומר מגנטי נוסף שמ"מ偏is" את השכבה החופשית, הם יוצרים חלופות-בייס MTJ שניתן להחליף על ידי פולסים קצרים של זרם. הנדסה חכמה של צורת המכשיר ומבנה השכבות המגנטיות מאפשרת לגרסה אחת של המחלפה להתנהג כמו סינפסה עם רמות התנגדות רבות ויציבות, בעוד שגרסה קטנה יותר מתנהגת כמו נוירון שמחליף חד בין שתי מצבים. לשתיהן אותו מבנה שכבות, מה שמפשט אינטגרציה על שבב.

Figure 2. כיצד פולסים קצרים של זרם מעצבים מחדש שכבות מגנטיות כדי ליצור מצבי סינפסה מרובים והתנהגות ירי מהיר של נוירונים.
Figure 2. כיצד פולסים קצרים של זרם מעצבים מחדש שכבות מגנטיות כדי ליצור מצבי סינפסה מרובים והתנהגות ירי מהיר של נוירונים.

סינפסות זעירות שזוכרות תזמון

במכשירים המדמים סינפסה, פולסים קצרים של זרם מעצבים בהדרגה תחומי מגנטיות מיקרוסקופיים במקום להפוך את כל המגנט בבת אחת. זה מייצר יותר מ-25 רמות התנגדות מובחנות במכשיר שרוחבו רק כמאה ננומטר, והרמות האלה נשארות יציבות למשך שנים ומעמידות במבחן שדות מגנטיים חזקים. על ידי שליחת זוגות פולסים שממלאים את תפקיד בזקיקי-נוירון מראש ואחרי עם השהיות זמן משתנות, המחברים משחזרים כלל למידה מרכזי הנצפה בביולוגיה: כשהבזקיקים מגיעים זה אחר זה בקרבה זמנים, הקישור מתחזק או נחלש יותר מאשר כשהם רחוקים זה מזה. למידה מבוססת תזמון זו, המכונה פלסטיות תלויית-זמן של בזקיקים, נובעת באופן טבעי מסידור מחדש של גרעיני המגנט תחת חום וזרם.

נוירונים זעירים שמשתלבים ויורים

המכשירים המדמים נוירון מגיבים באופן שונה. פולסיים בודדים נבחרים חלשים מדי כדי להחליף את המכשיר לבדם, אך סדרה מהירה שלהם מחממת את הממשק ומנמיכה את מחסום האנרגיה הפנימי עד שהוא לפתע מתהפך מצב, מה שמחקה נוירון שמשלב קלטים ולאחר מכן יורה. כשהפולסים נפסקים, המכשיר מתקרר וסף ההשפעה שלו מתאושש, מה שמספק "דליפה" טבעית של הקלט המצטבר. הניסויים מראים שאותם נוירונים מלאכותיים יכולים להחליף באופן אמין עם פולסים קצרים עד ארבע עשיריות של ננו-שנייה תוך צריכת רק מאות פמוטז'אולים לאירוע ירי, הרבה פחות ממעגלי נוירון מבוססי-טרנזיסטור וקצב מספיק גבוה לפעולה בגיגהאץ'.

בדיקת מזהה מחוות מגנטי מלא

כדי לראות מה מכשירים כאלה יכולים לעשות במערכת, החוקרים מדמים רשת בזקיקים רב-שכבתית הבנויה כולה מהסינפסות והנוירונים המגנטיים האלה. באמצעות נתוני מחוות מהעולם האמיתי שהוקלטו כזרמי אירועים חזותיים, הרשת משלבת אימון קונבנציונלי בשכבות מוקדמות עם למידה מבוססת-תזמון בשכבת הפלט. עם התנהגות המכשירים והפגמים שנלקחו מניסויים, המודל עדיין מסווג מחוות יד עם דיוק של כ-96%. מאחר שהבזקיקים מפוזרים והנוירונים יורים רק כשצריך, רק חלק קטן מהרכיבים פעיל בכל רגע, ותוכנית האימון המעורבת מקטינה את מספר העדכונים הסינפטיים בהשוואה לשיטות סטנדרטיות.

מה המשמעות עבור חומרה חכמה בעתיד

לקורא שאינו מומחה, המסר המרכזי הוא שאותו בלוק מגנטי זעיר יכול לפעול כיום גם כחיבור תכנותי וגם כיחידת ירי בזקיק, בדומה לסינפסות ולנוירונים במוח. מחלפות-מנהור מגנטיות אלה עם שינוי-בייס משנות מהר, זוכרות רמות רבות וניתן לארוז אותן בצפיפות גבוהה, מה שהופך אותן למועמדות חזקות לשבבים קומפקטיים וחסכוניים באנרגיה שמעבדים מידע באופן מוחי ישירות בזיכרון במקום להזניק נתונים סביב.

ציטוט: Chen, Z., Zhu, D., Du, A. et al. Nanoscale exchange-bias magnetic tunnel junctions enabled memristive synapse and leaky-integrate-fire neuron for neuromorphic computing. Nat Commun 17, 4362 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70802-8

מילות מפתח: חישוב נוירומורפי, רשתות עצביות בזקיקי-ירי, מחלפות מנהור מגנטיות, ספינטרוניקה, זיהוי מחוות