Brownsches Reservoir Computing Neuartige Stromsparrechner nutzen magnetische Wirbel und Umgebungswärme

Von Michael Eckstein

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Forscher der Johannes Gutenberg-Universität Mainz haben einen ersten Prototyp einer neuartigen Computing-Plattform entwickelt, die unter anderem Wärmeenergie der Umgebung und magnetische Skyrmionen nutzt. Die Kombination aus Brownschem Computing und Reservoir Computing soll besonders energiesparend arbeiten.

Ein magnetischer Wirbel, genannt Skyrmion (grauer Punk), wird in einer dreieckigen Geometrie durch elektrische Ströme in die Ecken gedrückt und von den Kanten der Geometrie abgestoßen. Die so generierten Potenziale (rot) reichen bereits für Boolsche Logikoperationen aus.
Ein magnetischer Wirbel, genannt Skyrmion (grauer Punk), wird in einer dreieckigen Geometrie durch elektrische Ströme in die Ecken gedrückt und von den Kanten der Geometrie abgestoßen. Die so generierten Potenziale (rot) reichen bereits für Boolsche Logikoperationen aus.
(Bild: Klaus Raab, JGU)

Ein großer Teil der heutzutage genutzten Energie wird in Form elektrischen Stroms für das Verarbeiten und Speichern von Daten respektive für den Betrieb der dafür notwendigen Geräte verbraucht. Und dieser Anteil wird weiter steigen – das sagen übereinstimmend viele Prognosen voraus. Neuartige Konzepte, etwa neuromorphes Computing, nutzen energiesparende Ansätze, um dieses Problem zu lösen. In einem Gemeinschaftsprojekt von experimentellen und theoretischen Physikern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) wurde ein solcher Ansatz jetzt im Rahmen eines ERC Synergy Grants umgesetzt: Brownsches Reservoir Computing. Ein Artikel dazu ist im Fachmagazin „Nature“ erschienen.

Brownsches Reservoir Computing ist eine Kombination von zwei unkonventionellen Computing-Methoden: Brownsches Computing und Reservoir Computing. Das Brownsche Computing nutzt den Umstand aus, dass die für die Berechnungen nötigen Prozesse üblicherweise bei Raumtemperatur ablaufen und somit die Wärmeenergie der Umgebung verwendet werden kann. Dadurch lässt sich Strom sparen. Die Wärmeenergie äußert sich meist als zufällige Bewegung von Teilchen. Diese „Brownsche Bewegung“ ist daher der Namensgeber des Projekts.

Reservoir Computing für besonders effiziente Datenverarbeitung günstig

Beim Reservoir Computing hingegen wird die komplexe Reaktion eines physikalischen Systems auf externe Anregungen ausgenutzt, um besonders ressourceneffizient Daten zu verarbeiten. Der Großteil der „Rechenarbeit“ wird dabei vom physikalischen System selbst geleistet, wofür keine zusätzliche Energie benötigt wird. Nach Angaben der Forscher ist es besonders beindruckend, dass ein solcher Reservoir-Computer sehr einfach an diverse Aufgaben angepasst werden kann, da man das physikalische System nicht einstellen muss.

Wissenschaftlern um Prof. Dr. Mathias Kläui vom Institut für Physik der JGU ist es mithilfe von Prof. Dr. Johan Mentink von der niederländischen Radboud-Universität Nijmegen nun gelungen, einen Prototyp zu entwickeln, der diese beiden Computing-Methoden verbindet. Der Prototyp ist in der Lage, Boolsche Logikoperationen durchzuführen, die als Standardtests für Reservoir Computing genutzt werden können.

Als physikalisches System wurden hierbei die in metallenen Dünnschichten vorkommenden magnetischen Skyrmionen gewählt. Diese magnetischen Wirbel verhalten sich wie Teilchen und lassen sich durch elektrische Ströme bewegen. Das Verhalten der Skyrmionen wird dabei nicht nur durch den angelegten Strom, sondern auch durch deren Brownsche Bewegung geprägt. Letzteres kann zu einer hohen Energieeinsparung führen, da die Brownsche Bewegung der Skyrmionen den Computer nach jeder Operation automatisch zurücksetzt und für die nächste Rechnung vorbereitet.

Erster Prototyp in Mainz entwickelt

Obwohl es in den letzten Jahren viele theoretische Konzepte für Skyrmion-basiertes Reservoir Computing gab, hat erst die Kombination mit dem Brownschen Computing-Konzept dazu geführt, dass die Mainzer Wissenschaftler den ersten funktionsfähigen Prototyp entwickeln konnten. „Der Prototyp ist lithographisch einfach herzustellen und kann hypothetisch auf Nanometer-Größe verkleinert werden“, so der Experimentalphysiker Klaus Raab.

„Diesen Erfolg verdanken wir der ausgezeichneten Zusammenarbeit zwischen experimenteller und theoretischer Physik hier in Mainz“, betont der theoretische Physiker Maarten Brems. Projektleiter Mathias Kläui ergänzt: „Ich freue mich, dass die Unterstützung durch einen Synergy Grant des European Research Council die Zusammenarbeit mit hervorragenden Kollegen aus der theoretischen Physik in Nijmegen möglich gemacht hat, woraus dann unsere gemeinsame Arbeit entstanden ist. Ich sehe großes Potenzial in unkonventionellem Rechnen, was hier in Mainz auch hervorragend durch die Carl-Zeiss-Stiftung im Projekt Emergent Algorithmic Intelligence gefördert wird.“ (me)

Veröffentlichung in Nature: „Brownian reservoir computing realized using geometrically confined skyrmion dynamics“

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