利用电压控制磁各向异性与自旋轨道力矩磁性隧道结生成随机比特流
介观与纳米尺度物理
2022-12-01 v1
摘要
使用随机数发生器（RNG）的概率计算可以利用纳米器件的固有随机性来获取系统级收益。磁性隧道结（MTJ）因其热驱动的磁化动力学而被作为 RNG 研究，通常使用自旋转移力矩（STT）电流幅度来控制 MTJ 自由层磁化的随机翻转，此处称为随机写入方法。还有其他控制 MTJ-RNG 的手段，包括电压控制磁各向异性（VCMA）和自旋轨道力矩（SOT），并且有必要系统地研究和比较这些方法。我们构建了 MTJ 的解析模型，以表征使用 VCMA 和 SOT 生成随机比特流。结果表明，两种方法都能产生高质量、均匀分布的比特流。使用 STT 电流或外加磁场对比特流进行偏置表明，对于相同的条件，VCMA 和 SOT 相对于偏置幅度呈现近似 S 型分布，而随机写入的 S 型特征较弱。计算得出的每采样能耗为 0.1 pJ（SOT）、1 pJ（随机写入）和 20 pJ（VCMA），揭示了使用 SOT 的潜在能耗优势，并表明使用 VCMA 可能需要更高阻尼的材料。然后将生成的比特流应用于两个示例任务：使用隐相关伯努利硬币方法生成任意概率分布，以及将 MTJ-RNG 作为随机神经元在玻尔兹曼机中执行模拟退火，其中 VCMA 和 SOT 方法均显示出以较小延迟和低能耗有效最小化系统能量的能力。这些结果表明了 MTJ 作为真正 RNG 的灵活性，并阐明了优化器件操作以供应用的设计参数。
引用
@article{arxiv.2211.16588,
title = {Random Bitstream Generation using Voltage-Controlled Magnetic Anisotropy and Spin Orbit Torque Magnetic Tunnel Junctions},
author = {Samuel Liu and Jaesuk Kwon and Paul W. Bessler and Suma Cardwell and Catherine Schuman and J. Darby Smith and James B. Aimone and Shashank Misra and Jean Anne C. Incorvia},
journal= {arXiv preprint arXiv:2211.16588},
year = {2022}
}
备注
9 pages, 6 figures