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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Informationsverarbeitung.
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Bisherige Technologien zur Informationsverarbeitung und Informationsspeicherung stoßen im Umfeld von maschinellem Lernen und neuronalen Netzwerken zunehmend an Grenzen. Typischerweise wird versucht, den gesteigerten technischen Anforderungen an Hardwarekomponenten im Bereich der künstlichen Intelligenz mit einem hohen Grad an Parallelisierung und eine Vielzahl von Rechenkernen zu begegnen. Ein wesentlicher Bestandteil hierbei sind auch integrierte, nicht-flüchtige Speicherelemente wie MRAM (magnetic random access memory). Zudem existieren auch Lösungsansätze, die darauf abzielen, von klassischer Elektronik abzurücken und neue Übermittlungswege für Informationen zu ermöglichen, beispielsweise mittels Spinwellentransport.
US 2009/00960044 A1 offenbart eine entsprechende Vorrichtung, bei der Informationen durch einen räumlichen Transport von Spinwellen übertragen werden sollen.
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Zur Realisation von Schaltungen für den Einsatz im Bereich der künstlichen Intelligenz wird versucht, künstliche neuronale Netze mit CMOS-kompatiblen Schaltkreisen (complementary metal-oxide-semiconductor) zu realisieren. Hierbei ergeben sich jedoch zwei grundlegende Nachteile: Zum einen ergibt sich ein enormer Overhead, der im Extremfall sogar dazu führen kann, dass große Teile der Schaltung bzw. des Chips nicht zur eigentlich angestrebten Mustererkennung beitragen, aber dennoch mit Energie versorgt werden. Zwar kann das neuronale Netz auf Chipebene ausgedünnt werden, um dieses Problem zu minimieren, dies führt allerdings auch dazu, dass der jeweilige Chip nur für eine einzelne bestimmte Anwendung verwendet werden kann. Da gerade der Lern- und Optimierungsprozess neuronaler Netze große Mengen an Energie benötigt, ist diese Lösung langfristig nicht wirtschaftlich.
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Zum anderen wird die meiste Energie bei der Datenverarbeitung für die Bewegung von Daten zwischen verschiedenen Speicherbausteinen verbraucht, was gerade bei der Realisierung künstlicher neuronaler Netze (die auf massiver Vernetzung und Parallelität der einzelnen Recheneinheiten basiert) einen hohen Energieverlust durch Datenbewegung mit sich bringt. Zudem sind elektrische Verbindungen zum Herstellen der erforderlichen Vernetzung aufgrund der großen Anzahl extrem schwierig zu integrieren.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die die genannten Nachteile vermeidet, mit der also eine energieeffiziente Informationsverarbeitung ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren nach den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Eine Vorrichtung zur Informationsverarbeitung weist ein Magnonenreservoir aus einem Werkstoff mit spontaner magnetischer Ordnung, in dem zweidimensional quantisierte Magnonen-Zustände vorhanden sind, einer Eingabeeinheit und einer Ausgabeeinheit. Die Eingabeeinheit ist dazu ausgebildet, in dem oder an dem Magnonenreservoir einen mit einem zeitlichen Muster versehenen Energieeintrag als Eingangsinformation zu generieren, so dass nichtlineare Magnonenstreuprozesse g angeregt werden, wobei ein sich ergebendes Magnonenspektrum durch den mit einem zeitlichen Muster versehenen Energieeintrag und die dreidimensionalen Abmessungen des Magnonenreservoirs vorgegeben ist, und die Ausgabeeinheit dazu ausgebildet ist, das sich ergebende Magnonenspektrum als Ausgangsinformation zu detektieren.
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Die Vorrichtung ist also dazu ausgebildet, Eingangsinformationen in Form eines Energieeintrags, beispielsweise eines gepulsten Energieeintrags, in das Magnonenreservoir einzubringen, und dort je nach zeitlicher Reihenfolge der Eingangsinformationen wohldefinierte Kaskaden von Streuprozessen zu generieren. Zeitlich kodierte Muster in den Eingangsinformationen führen durch die nichtlineare Wechselwirkung zu verschiedenen, wohldefinierten Antworten im Magnonenspektrum, d. h. dass die Ausgangsinformation eine eindeutige Klassifizierung der Eingangsinformation ermöglicht. Eine nichtlineare Streuung von Magnonen, die auch als Spinwellen bezeichnet werden, in Ort und Zeit stimuliert durch andere Magnonen erfüllt gerade im Hinblick auf neuromorphe Hardware die Anforderungen bezüglich Separation, Approximation und Kurzzeitgedächtnis. Spinwellen sind kollektive Anregungen der magnetischen Momente in einem magnetisch geordneten System, die durch die langereichweite Dipol-Dipol-Wechselwirkung und die kurzreichweitige Austauschwechselwirkung bedingt sind. Die jeweiligen Quanten werden als Magnonen bezeichnet.
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Da durch den Einsatz des Magnonenreservoirs somit keine Vernetzung im realen Raum, dem Ortsraum, erfolgt, sondern durch nichtlineare Streuung zwischen voll quantisierten, magnonischen Eigenzuständen einer magnetisch geordneten Mikrostruktur im reziproken Raum, dem k-Raum, ist nicht nur das Vernetzungsproblem elegant gelöst, sondern es kann auch eine höhere Integration bzw. Skalierbarkeit erreicht werden. Im Gegensatz zu bisherigen, auf Halbleitern basierenden Lösungen wird dies nicht durch eine weitere Miniaturisierung erreicht, die zusätzliche Prozessschwierigkeiten bei der Herstellung immer kleinerer Strukturen mit sich bringt, sondern es kann eine erhöhte Komplexität und Bandbreite kann durch eine Vergrößerung der Bauelemente erreicht werden. Durch die Operation im reziproken Raum wird eine erhöhte Komplexität und Bandbreite durch eine Vergrößerung der Bauelemente, d. h. der Magnonenreservoirs, erreicht. Da kein Transport massebehafteter Teilchen erfolgt, sondern eine Änderung magnetischer Zustände vorgenommen wird, kann eine praktisch unbegrenzte Zahl an Operationen vorgenommen werden und eine große Durchstimmbarkeit und Optimierung rein magnetischer Parameter (die reprogrammierbar sind) ist ermöglicht. Es sind also durch die räumlich-zeitliche Delokalisierung der Magnonen im als Resonator dienenden Magnonenreservoir keine Transportverluste vorhanden, wodurch auch keine Interferenzeffekte auftreten und keine Phasenrelevanz besteht und eine Skalierbarkeit wird erleichtert.
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Da eine zweidimensionale Quantisierung der Spinwellen innerhalb der Probenebene, d. h. innerhalb des Magnonenreservoirs bzw. der Magnonenkavität, vorliegt, wird ein räumlicher Transport vermieden und die Wechselwirkung findet komplett durch Übergänge im reziproken Raum statt, es gibt also keine Transportverluste im Realraum. Durch die vollständige Quantisierung von Spinwellenresonanzen wird auch eine wesentlich stärkere Wechselwirkung durch Streuprozesse durch eine Reduktion der Zustände ermöglicht. Sekundäre Energieniveaus können leichter besetzt werden und führen zu niedrigeren Schwellen für nichtlineare Phänomene. Die Vorrichtung ist zudem mit bereits existierender Technologie einfach herstellbar und vollständig kompatibel zu bestehenden CMOS-Prozessen.
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Unter einem Werkstoff mit spontaner magnetischer Ordnung soll hierbei insbesondere ein bei Raumtemperatur, d. h. 20 °C, ferromagnetischer oder ferrimagnetischer Werkstoff verstanden werden. Die generierten Magnonenstreuprozesse sind typischerweise Magnonenstreuprozesse höherer Ordnung. Als Magnonenstreuprozess höherer Ordnung soll insbesondere Drei-Magnonenstreuung und Vier-Magnonenstreuung verstanden werden, d. h. Fälle, in denen aus einem Magnon zwei Magnonen generiert werden oder aus zwei Magnonen ein Magnon generiert wird (Drei-Magnonenstreuung) oder aus zwei Magnonen wiederum zwei Magnonen mit geänderten Frequenzen und bzw. oder geänderten Wellenvektoren generiert werden. Prozesse höherer Ordnung sind für den Anwendungszweck vorteilhaft, aber meist nicht dominant.
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Das Magnonenreservoir bzw. das magnonische Reservoir ist typischerweise als eine Scheibe, eine Ellipse, ein Ring oder ein Rechteck ausgebildet, da entsprechende geometrische Formen leicht zu fertigen sind. Die Höhe des Magnonenreservoirs beträgt üblicherweise maximal 10 Prozent seiner maximalen Länge und bzw. oder Breite oder seins Durchmessers, d. h. es liegt ein im Wesentlichen zweidimensionales Magnonenreservoir vor. Die Höhe beträgt vorzugsweise maximal 100 nm, um eine ausreichend kleine Struktur zu schaffen.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Magnonenreservoir in einem Vortexzustand magnetisiert ist, d. h. einem Zustand, in dem die Magnetisierung sich durch eine konzentrische Ausrichtung der magnetischen Momente auszeichnet. In diesem Zustand liegt sowohl eine wohldefinierte und zeitlich stabile Magnetisierung vor, in der dennoch effizient Streuprozesse angeregt werden können, ohne dass ein externes Magnetfeld benötigt wird.
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Die Eingabeeinheit kann als Mikrowellenantenne, insbesondere Mikrowellenstreifenleitung, oder als Laserstrahlungsquelle, die einen gepulsten Laserstrahl emittiert bzw. als gepulster Laserstrahl ausgebildet sein. Grundlegend ist die Fähigkeit der Eingabeeinheit, Magnonenstreuprozesse durch einen Energieeintrag in das Magnonenreservoir zu gewährleisten, was sowohl durch Mikrowellenpulse erfolgen kann als auch durch gepulste Laserbestrahlung mit Pulsdauern im Bereich von typischerweise bis zu 100 fs. Der Bereich kann aber auch von 100 Attosekunden langen Laserpulsen bis zu 10 Pikosekunden langen Laserpulsen reichen. Sofern eine Mikrowellenantenne verwendet wird, kann zudem auch vorgesehen sein, mehrere Magnonenreservoirs direkt auf der Mikrowellenantenne zu platzieren, diese also in unmittelbar berührenden Kontakt miteinander zu bringen, so dass ein effizienter Energieeintrag ermöglicht wird und zudem mehrere Magnonenreservoirs nahezu gleichzeitig einen Energieeintrag erfahren.
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Die Ausgabeeinheit kann als magnetoresistiver Sensor ausgebildet sein, um zuverlässig und schnell das sich ergebende Magnonenspektrum detektieren zu können. Insbesondere kann die Ausgabeeinheit als anisotroper Magnetowiderstandssensor (AMR), Risenmagnetowiderstandssensor (GMR) oder Tunnelmagnetowiderstandssensor (TMR) ausgebildet sein. Zudem kann vorgesehen sein, dass die Ausgabeeinheit mehrere Messsensoren aufweist, also mehrteilig aufgebaut ist, die zum Messen eines räumlich aufgelösten Magnonenspektrums ausgebildet sind und an verschiedenen Positionen des Magnonenreservoirs angeordnet sind.
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An dem Magnonenreservoir kann zudem ein nichtflüchtiger Streufeldgenerator zur lokalen Richtungsänderung bzw. Beeinflussen der Magnetisierung des Magnonenreservoirs vorgesehen sein. Hierdurch kann gezielt eine gewünschte Magnetisierung eingestellt werden, wobei als Streufeldgenerator beispielsweise räumlich von dem Magnonenreservoir beabstandete Strukturen aus einem Werkstoff dienen können, der eine höhere Koerzitivfeldstärke als der Werkstoff des Magnonenreservoirs aufweist, und durch sein Streufeld die Magnetisierung des Magnonenreservoirs beeinflusst. Insbesondere können hierbei geometrische Strukturen verwendet werden, bei denen einen Spitze in Richtung des Magnonenreservoirs weist.
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Bei einem Verfahren zur Informationsverarbeitung generiert eine Eingabeeinheit in einem Magnonenreservoir aus einem Werkstoff mit spontaner magnetischer Ordnung, in dem zweidimensional quantisierte Magnonen-Zustände vorhanden sind, einen mit einem zeitlichen Muster versehenen Energieeintrag als Eingangsinformation, so dass nichtlineare Magnonenstreuprozesse angeregt werden. Ein sich ergebendes Magnonenspektrum ist durch den mit einem zeitlichen Muster versehenen Energieeintrag und die dreidimensionalen Abmessungen des Magnonenreservoirs vorgegeben, und eine Ausgabeeinheit detektiert das Magnonenspektrum als Ausgangsinformation.
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Zudem kann vorgesehen sein, dass der mit dem zeitlichen Muster versehene gepulste Energieeintrag eine Frequenz aufweist, beispielsweise eine Trägerfrequenz, die einer der Resonanzbedingungen des Magnonenreservoirs entspricht, da hierdurch in besonders effizienter Weise Streuprozesse angeregt werden.
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Das beschriebene Verfahren wird typischerweise mit der beschriebenen Vorrichtung durchgeführt, d. h. die beschriebene Vorrichtung ist zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens ausgebildet.
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Die beschriebene Vorrichtung und bzw. oder das beschriebene Verfahren werden typischerweise für ein (künstliches) neuronales Netz, maschinelles Lernen, insbesondere Reservoir Computing, und bzw. oder neuromorphes Rechnen und Mustererkennung bzw. Klassifizierung verwendet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 8 erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht der Funktionsweise einer Vorrichtung zur magnonischen Informationsverarbeitung;
- 2 eine schematische Darstellung von Magnonenstreuprozessen;
- 3 eine perspektivische schematische Ansicht mit mehreren Magnonenreservoirs auf einem Mikrowellenstreifenleiter;
- 4 eine schematische Ansicht eines sich ergebenden Magnonenspektrums samt Klassifizierung;
- 5 eine perspektivische schematische Ansicht der des Mikrowellenstreifenleiters mit mehreren Magnonenreservoirs und unterschiedlicher Anordnungen von Ausgabeeinheiten;
- 6 eine 5 entsprechende Ansicht mehrerer vertikal übereinander angeordneter Magnonenreservoirs;
- 7 eine schematische Ansicht einer TMR-Struktur mit Magnonenreservoir und
- 8 eine 7 entsprechende Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Speicherstruktur.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Funktionsweise einer Vorrichtung zur magnonischen Informationsverarbeitung dargestellt, bei der auf einer als Mikrowellenstreifenleiter ausgeführten Eingabeeinheit 2 ein Magnonenreservoir 1 in Form einer flachen Scheibe aus einem weichmagnetischen Werkstoff wie Permalloy (Ni80Fe20), Co25Fe75 oder CoxFeyBz (mit x, y, z= 40, 40, 20; 60, 20, 20 oder 20, 60, 20) aufgebracht ist. Das Magnonenreservoir 1 ist im Vortexzustand magnetisiert, d. h. die Magnetisierung ist konzentrisch innerhalb der Ebene der Scheibe geführt und weist lediglich im Mittelpunkt der Scheibe aus der Probenebene. In dem Magnonenreservoir 1 sind bedingt durch die ferromagnetische Ordnung und räumliche Einschränkung zweidimensional quantisierte Magnonen vorhanden, d. h. im reziproken Raum, dem k-Raum, bilden sich die beispielhaft oberhalb des Magnonenreservoirs 1 gezeigten Modenverteilungen aus. In weiteren Ausführungsbeispielen muss die Magnetisierung auch nicht überwiegend in der Probenebene liegen (in-plane), sondern es können auch senkrecht zur Strukturebene magnetisierte Elemente (out-of-plane) verwendet werden.
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Als Eingangssignal wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein gepulstes Mikrowellensignal verwendet, bei dem beispielhaft zwei unterschiedliche Mikrowellenfrequenzen eingestrahlt werden und entsprechende Magnonenstreuprozesse, insbesondere Drei-Magnonenstreuung, in dem Magnonenreservoir 1 anregen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Eingangssignal auch ein breitbandiges Mikrowellensignal als analoges Eingangssignal sein, muss also nicht unbedingt gepulst vorliegen. Beispielsweise kann bei einem Radar-Doppler-Sensor ein breitbandiges Mikrowellensignal als Eingangsinformation verwendet finden. Das zeitliche Muster, also die Abfolge von Pausen zwischen den Pulsen und Pulsen sowie die gewählten Mikrowellenfrequenzen sind dabei einstellbar, die Mikrowellenfrequenzen entsprechen für eine besonders effiziente Anregung von Magnonenstreuprozessen aber in der Regel Resonanzfrequenzen der Magnonen, die sich insbesondere aus den Abmessungen des Magnonenreservoirs ergeben. Die Leistung der Mikrowellenpulse ist zudem ebenfalls einstellbar, sollte aber so gewählt sein, dass die genannten nichtlinearen Prozesse ausgelöst werden, und hängt entsprechend von Parametern wie dem verwendeten magnetischen Werkstoff und den Abmessungen des Magnonenreservoirs 1 ab. Durch die kontrollierte externe Anregung von Streuprozessen wird eine Kaskade von Streuprozessen in Gang gesetzt, die beispielhaft durch die Pfeile verdeutlich wird. Als Ausgangsinformation wird dabei ein Magnonenspektrum erhalten, das durch eine Ausleseeinheit bzw. Ausgabeeinheit detektiert wird, das eine eindeutige Klassifizierung der Eingangsinformationen, beispielsweise zur Mustererkennung, ermöglicht.
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Statt einer kreisförmigen Scheibe kann in weiteren Ausführungsbeispielen auch eine Ellipse, ein Ring, ein Rechteck, ein Fünfeck, ein Sechseck oder eine andere mehreckige Form als Magnonenreservoir 1 verwendet werden, wobei die Dicke des Magnonenreservoirs im Nanometerbereich liegt und 100 nm typischerweise nicht überschreitet. Da das Magnonenreservoir 1 im Wesentlichen zweidimensional ist, beträgt eine Höhe vorzugsweise maximal 10 Prozent des Werts des Durchmesser, der maximalen Länge bzw. der maximalen Breite. Außerdem sind auch Kombinationen aus zweidimensional eingeschränkten Resonatoren und Magnonenleitern mit nur eindimensionaler Einschränkung möglich, die eine Vernetzung der nichtlinearen Bauelemente im Realraum ermöglichen.
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Statt einer Mikrowellenantenne oder Mikrowellenstreifenleitung kann in weiteren Ausführungsbeispielen auch ein gepulster Laser, also eine Laserstrahlungseinheit, die einen gepulsten Laserstrahl emittiert, verwendet werden. Vorzugsweise wird eine Laserstrahlungseinheit verwendet, die das Magnonenreservoir zumindest teilweise mit Laserpulsen mit einer Pulsdauer im Femtosekundenbereich, d. h. Laserpulsen mit einer Pulsdauer von maximal 100 fs bis 200 fs bestrahlt.
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Das erhaltene Spinwellenspektrum kann durch einen magnetoresistiven Sensor, beispielsweise einen Riesenmagnetowiderstandssensor, ausgelesen werden. In weiteren Ausführungsbeispielen kann aber auch ein anisotroper Magnetowiderstandssensor oder ein Tunnelmagnetowiderstandssensor eingesetzt werden. Die Ausgabeeinheit 3 weist typischerweise mehrere Sensoreinheiten auf, die an oder auf dem Magnonenreservoir 1 verteilt angeordnet sind, so dass ein ortsaufgelöstes Spinwellenspektrum erhalten werden kann.
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In 2 sind in einer schematischen Ansicht Streuprozesse von Spinwellen dargestellt. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in den folgenden Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Bei einer reinen Zwei-Magnonenstreuung (2a) behält das einfallende Magnon seine Energie, allerdings ändert sich der Wellenvektor durch die Streuung beispielsweise an einem Defekt. Bei der Drei-Magnonenstreuung zerfällt ein einfallendes Magnon in zwei Magnonen mit jeweils halber Frequenz (Aufspaltung, 2b) oder zwei Magnonen vereinigen sich zu einem einzigen Magnon Konfluenz, (2c). Schließlich ist noch in 2d) der Fall der Vier-Magnonenstreuung gezeigt, bei dem zwei einfallende Magnonen gleicher Energie in zwei Magnonen unterschiedlicher Energie gestreut werden.
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3 zeigt in einer perspektivischen schematischen Ansicht eine Mikrowellenstreifenleitung als Eingabeeinheit 1, auf der mehrere Magnonenreservoirs 1 angeordnet sind. Die Magnonenreservoirs 1 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel wiederum scheibenförmig und direkt auf der Mikrowellenstreifenleitung angeordnet, die beispielsweise aus Kupfer oder Gold ausgebildet sein kann. Die Abmessungen der Magnonenreservoirs 1 sind identisch, ebenso sind alle Magnonenreservoirs 1 aus dem gleichen Werkstoff ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen kann aber auch vorgesehen sein, dass wenigstens eines der Magnonenreservoirs 1 aus einem anderen Werkstoff ausgebildet sind. Ebenso können auch die dreidimensionalen Abmessungen sich bei wenigstens einem der Magnonenreservoirs 1 von den anderen unterscheiden. Der Durchmesser jeder der Magnonenreservoirs in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht gerade 99 Prozent einer Breite der Mikrowellenstreifenleitung, kann in weiteren Ausführungsbeispielen aber auch um bis zu 10 Prozent geringer sein als eine Breite der Mikrowellenstreifenleitung. Oberhalb jedes der Magnonenreservoirs 1 sind mehrere Sensoren ausgebildet, die gemeinsame die jeweilige Ausgabeeinheit 3 bilden. In dem in 3 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel sind diese Sensoren als Magnetic Tunnel Junctions, MTJ, ausgebildet und in beliebiger Anordnung auf einer Oberseite des jeweiligen Magnonenreservoirs 1 platziert. Insbesondere ist es nicht nötig, auf jedem der Magnonenreservoirs 1 eine identische Anordnung der Sensoren vorzusehen.
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Die Sensoren sind dazu eingerichtet, das jeweils detektierte Signal über eine konventionelle CMOS-Struktur einer Weiterverarbeitung zuzuführen, beispielsweise als Eingangssignal für eine konventionelle Recheneinheit wie einen Computer, der die aus dem Magnonenreservoir 1 erhaltenen Ausgangsinformationen auch grafisch darstellen und auf einer Anzeigeeinheit wie einem Monitor ausgeben kann.
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Die beschriebene Vorrichtung bzw. ein Verfahren, das diese Vorrichtung zur Informationsverarbeitung nutzt betrifft also im Wesentlichen eine Hardware für künstliche Intelligenz basierend auf den Anregungen ferromagnetischer oder ferrimagnetischer Mikrostrukturen. Insbesondere im Bereich des Reservoir Computing (d..h. ein nichtlineares, höherdimensionales System, das als Reservoir, das typischerweise zur Verarbeitung von Zeitreihen dient) bei einer sensornahen Verarbeitung großer Datenströme (beispielsweise bei Edge-Computing oder im Internet of Things) erlauben magnonische Bausteine basierend auf Konzepten des maschinellen Lernen zur Mustererkennung und Klassifizierung (oder auch zur Vorhersage von Trajektorien in stark nichtlinearen Systemen) eine wesentliche Reduktion des Energieverbrauchs und eine Beschleunigung des Datendurchsatzes. Anwendungen reichen hierbei von der Erkennung von Gesten, Sprache, Schrift und Bildern bis hin zur Erkennung und Vorhersage möglicher Kollisionen basierend auf Radarsensoren im Bereich autonomes Fahren. Die zu klassifizierenden Informationen werden hierbei als Eingangsinformation in Form einer gepulsten elektromagnetischen Welle zur Verfügung gestellt und nachfolgend die Ausgangsinformationen, die aus dem Magnonenreservoir 1 erhalten werden, zur Klassifizierung genutzt, indem jede erhaltene Ausgangsinformation durch das Magnonenspektrum eindeutig einer bestimmten Eingangsstruktur zugeordnet werden kann. Dies erfolgt typischerweise durch einen konventionellen Rechner, der ebenfalls Bestandteil der beschriebenen Vorrichtung sein kann. Insbesondere in diesem Fall dient das Magnonenreservoir 1, zum Beispiel beim Reservoir Computing, dazu, unterschiedliche Muster im höherdimensionalen Raum voneinander zu trennen, also stark zu separieren. Ein konventioneller Computer, der nicht auf magnonenbasierter Informationsverarbeitung oder Rechenleistung basiert, übernimmt dann die Aufgabe, das Ausgangssignal des Magnonenreservoirs 1 zu interpretieren. Hinsichtlich der Skalierbarkeit ist letztlich eigentlich nur die Kohärenzlänge der Magnonen als Randbedingung zu berücksichtigen, da im Magnonenreservoir 1 selbst sich stehende Wellen ausbilden.
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Hierbei werden intrinsisch die drei Hauptvoraussetzungen für Reservoir Computing, nämlich Separation, Approximation und Kurzzeitgedächtnis in einem einfachen, zur bereits bestehenden Halbleitertechnologie kompatiblen System erfüllt. Im Vergleich zu alternativen Ansätzen im Bereich des Reservoir Computings arbeitet die beschriebene Vorrichtung direkt im Mikrowellenbereich, d. h. typischerweise im Bereich von 0,5 GHz bis 200 GHz, vorzugsweise im Bereich von 1 GHz bis 40 GHz, ist mit analogen und digitalen Mikrowellensignalen als Eingabedaten kompatibel und kommt somit auch ohne energieintensive (und den Prozess verlangsamende) Digital-Analog-Wandlerstufen und Signalprozessierung aus. Die Magnonen (und dementsprechende Energieeinträge durch die Eingabeeinheit) können aber auch bis in den niedrigen THz-Bereich existieren, beispielsweise bis zu 1,5 THz. Da die nichtlinearen Koeffizienten im Vergleich zu anderen physikalischen Systemen stärker sind, wird bei viel kleineren Eingangsleistungen das Überschreiten der Schwelle für nichtlineare Reaktionen erreicht. Da nur ein kleiner Teil der Energie der Mikrowellenantenne durch ein einziges Magnonenreservoir 1 absorbiert wird, kann die gleiche Mikrowellenstreifenleitung als Eingabeeinheit eine Vielzahl von Magnonenreservoirs 1, d. h. mehrere Hundert bis Tausend Magnonenreservoirs 1, versorgen.
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Ermöglicht wird dies durch die nichtlinearen Streuprozesse und energetischen Übergänge zwischen Magnonen-Eigenzuständen im reziproken Raum, die eine umso dichtere Zustandsmatrix ermöglichen, je größer die verwendeten magnetischen Elemente sind, was die Anforderungen an eine lithographische Herstellung entsprechender Bauteile und die damit verbundenen Kosten erheblich reduziert.
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4 zeigt entsprechend in Figur a) über der Zeit aufgetragen Intensitätsprofile der jeweiligen Spinwellenspektren bzw. Magnonenspektren. Aus einem Eingangssignal von 8,9 GHz) (Input A) und einem Eingangssignal von 6,3 GHz (Input B) ergibt sich unter der zeitlichen Abfolge ABAB das dargestellte Spektrum, während bei der Folge AABB bereits ein klarer Unterschied in 4b) erkennbar ist. 4c) schließlich zeigt die integrierten Spinwellenintensitäten in beliebigen Einheiten, die bei verschiedenen Frequenzen gemessen werden für verschiedene Signalfolgen. Erkennbar ergibt jede Signalfolge als unterschiedliches Eingangssignal ein klar unterscheidbares Ausgangssignal, so dass sich 4-Bit-Pulsesequenzen anhand des erhaltenen Spinwellenspektrums klassifizieren lassen im Sinne einer Zuordnung des jeweiligen Ausgangssignals zu einem einzelnen Eingangssignal.
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Durch die Mikrowellenantenne (oder eine andere Eingabeeinheit) werden Magnonen angeregt, die bei Überschreiten einer bestimmten Mikrowellenleistung schlagartig durch Drei-Magnonenstreuprozesse in zwei sekundäre Magnonen zerfallen. Diese Aufspaltung eines einzelnen Magnonen in zwei Spinwellen mit unterschiedlicher Frequenz ist eine direkte Konsequenz der Nichtlinearität der zugrundeliegenden Bewegungsgleichungen, wobei die Drei-Magnonenstreuung kontrolliert durch zusätzlich angeregte Spinwellen gesteuert werden kann.
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In 5 ist in einer perspektivischen schematischen Ansicht der Mikrowellenstreifenleiter als Eingabeeinheit 2 mit mehreren Magnonenreservoirs lund unterschiedlicher Anordnungen von Ausgabeeinheiten 3 dargestellt. Die Dargestellten Magnonenreservoirs 2 sind wiederum im Vortexzustand magnetisiert, wie in 5a) nochmals dargestellt, und bilden einen Teil eines Tunnelmagnetowiderstandselements, wobei der obere Teil als Ausgabeeinheit 3 wiederum in zufälliger Anordnung auf der Vortexscheibe verteilt ist. Magnonenreservoirs 1 mit gleichem Durchmesser und gleicher Höhe zeigen bei gleichen Eingangsinformationen identische Streuprozesse, haben also identische Profile bzw. Magnonenspektren. Somit lassen sich mehr Tunnelmagnetowiderstandsstrukturen verteilen und nutzen, um kleine Signale und bestimmte Moden effizienter zu messen. 5b) zeigt beispielhaft eine derartige Sensoranordnung. Wie in 5c) dargestellt, können durch geeignete Anordnung der Sensoren auch gezielt einzelne Moden detektiert werden, wobei insbesondere statt des Tunnelmagnetowiderstandseffekts Sensoren basierend auf Spin-Pumping oder dem inversen Spin-Hall-Effekt genutzt werden, um Magnonen durch elektrische Spannungen zu detektieren. Alternativ sind auch die in 5d) gezeigten mäandernden Mikrowellenantennen möglich, die auf der Oberfläche eines der Magnonenreservoirs 1 angeordnet sind und eine induktive, moden-selektive Messung erlauben. Ebenfalls als Ausgabeeinheit 3 möglich ist eine Kombination von Streifen aus schweren Metallen mit alternierendem Vorzeichen des Spin-Hall-Winkels (z. B. Tantal und Palladium), wie in 5e) gezeigt. Hiermit kann eine gleichgerichtete Spannung erzeugt werden, die proportional zur Spinwellenamplitude ist. Eine praktisch zufällige Verteilung von Sensorelementen als Ausgabeeinheit, wie z. B. MRAM-Elementen, zum Auslesen der Spinwellenzustände und die Verteilung über viele identische magnetische Strukturen ermöglicht ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Außerdem kann eine Kopplung der Ausgabeeinheit 3 und deren Wirkungsgrad bei der Messung der Spinwellenintensität konzeptionell als Teil des Reservoirs interpretiert werden und eine genaue Kenntnis der Verteilung ist nicht nötig, solange die Verteilung nur hinreichend zufällig ist. Selbst Ausfälle einiger Sensorelemente sind irrelevant, was den Herstellungsprozess enorm vereinfacht.
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6 zeigt in einer 5 entsprechenden Ansicht zudem mehrere Ausführungsformen von übereinander angeordneten Magnonenreservoirs 1. Die auf der Oberfläche des obersten Magnonenreservoirs 1 angeordneten Sensorelemente sind aus Gründen der vereinfachten Übersichtlichkeit nicht dargestellt. 6a) zeigt eine Anordnung, bei der neben der wiederholten Anordnung identischer Strukturen auf dem Mikrowellenstreifenleiter nun auch Magnonenreservoirs 1 in vertikaler Richtung überlappend gestapelt sind. 6b) offenbart eine Anordnung, bei der auf einem scheibenförmigen Magnonenreservoir 1 ein weiteres scheibenförmigen Magnonenreservoir 1, das einen geringeren Durchmesser als das unterste Magnonenreservoir 1 aufweist, konzentrisch gestapelt ist. 6c) zeigt eine entsprechende Anordnung mit deinem konzentrisch gestapelten ringförmigen Magnonenreservoir 1 gleichen Durchmessers wie das in 6b) dargestellte. Überlappende Strukturen können auch für eine resonante Kopplung von Magnonenreservoirs über mehrere Streifenleiter 2 hinweg genutzt werden, wie beispielhaft in 6d) wiedergegeben. Durch eine abwechselnde Anordnung von vertikal gestapelten, aber lateral leicht versetzten und überlappenden Elementen können magnonisch vernetzte Ketten erzeugt werden, was zu einer erhöhten Komplexität des Magnonenreservoirs 1 führt und eine Anpassung an für verschiedene Klassifizierungsprobleme, z. B. Handschriftenerkennung, spezifische Anforderungen ermöglicht. Durch einen neben einem der Magnonenreservoirs 1 angeordneten dreieckigen Streufeldgenerator, bei dem eines der Ecken in Richtung des Mittelpunkts des Magnonenreservoirs 1 weist, kann zudem ein definiertes magnetisches Streufeld existieren, was die Magnetisierung des Magnonenreservoirs 1 definiert bzw. zumindest beeinflusst.
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In 7 ist in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem ein Magnetic Tunnel Junction (MTJ) als Magnonensensor dient. Das Magnonenreservoir 1 ist die freie Schicht des Magnetic Tunnel Junction und als Sensoreinheit ist eine Tunnelbarriere 4 und eine Referenzschicht 5 mit fixierter Magnetisierung aufgebracht. Das Magnonenreservoir 1 liegt auf einer Bit-Line bzw. Bitleitung auf, die Referenzschicht 5 ist mit einer Word-line bzw. Wortleitung und einer komplementären Bit-line verbunden.
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8 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem das Magnonenreservoir 1 Teil eines als Magnonensensor bzw. Ausgabeeinheit 3 dienenden Magnetic Tunnel Junction ist. Das durch die Pfeile gekennzeichnete und durch die Magnonen hervorgerufene dynamische magnetische Feld unterhalb des Magnonenreservoirs 1 wird durch externe Magnetic Tunnel Junctions 6 detektiert. Die beispielhaft ausgeführten Auslesemechanismen sind direkt kompatibel mit CMOS-Logik- und Verstärkerbausteinen zur elektronischen Ankopplung und Weiterverarbeitung. Die elektrische Konnektivität und Kompatibilität zu bereits existierender Technologie kann zudem auch realisiert werden durch Nanostrukturen (also Strukturen mit Abmessungen bis 500 nm, vorzugsweise bis 300 nm) mit starker Spin-Bahn-Wechselwirkung (z. B. Platin, Tantal, Wolfram bzw. generell Metall mit einer hohen Kernladungszahl, also insbesondere einer Kernladungszahl, die höher als die von Tantal ist) und induktiven mäandernden Mikrowellenantennen mit Periodizitäten abgestimmt auf die Magnonenprofile, wie in 5d) beispielhaft gezeigt.
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Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2009/00960044 A1 [0002]
