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Spintronic Integrate-Fire-Reset Neuron with Stochasticity for Neuromorphic Computing

神经形态工程学 自旋电子学 计算机科学 可扩展性 记忆电阻器 材料科学 物理 人工智能 电子工程 人工神经网络 铁磁性 工程类 凝聚态物理 数据库
作者
Qu Yang,Rahul Mishra,Yunuo Cen,Guoyi Shi,Raghav Sharma,Xuanyao Fong,Hyunsoo Yang
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:22 (21): 8437-8444 被引量:20
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.2c02409
摘要

Spintronics has been recently extended to neuromorphic computing because of its energy efficiency and scalability. However, a biorealistic spintronic neuron with probabilistic "spiking" and a spontaneous reset functionality has not been demonstrated yet. Here, we propose a biorealistic spintronic neuron device based on the heavy metal (HM)/ferromagnet (FM)/antiferromagnet (AFM) spin-orbit torque (SOT) heterostructure. The spintronic neuron can autoreset itself after firing due to the exchange bias of the AFM. The firing process is inherently stochastic because of the competition between the SOT and AFM pinning effects. We also implement a restricted Boltzmann machine (RBM) and stochastic integration multilayer perceptron (SI-MLP) using our proposed neuron. Despite the bit-width limitation, the proposed spintronic model can achieve an accuracy of 97.38% in pattern recognition, which is even higher than the baseline accuracy (96.47%). Our results offer a spintronic device solution to emulate biologically realistic spiking neurons.
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