Machine d'Ising à base de la Spintronique – SpinIM

Contexte:
L'évolution de la société moderne de l'information et de la communication, qui tente de résoudre des tâches de calculs d'une complexité et d'une taille sans cesse croissantes, devrait entraîner une consommation d'énergie qui dépassera la production mondiale d'énergie d'ici 2040. Cette augmentation de la consommation d'énergie est liée à l’architecture de calcul nécessitant un transfert constant de données entre la mémoire et les unités de traitement (Von Neumann bottleneck). Par conséquent, il est essentiel et critique de rechercher de l'innovation dans le matériel de calcul (hardware), l'architecture et les algorithmes. Outre la consommation d'énergie, des questions clés des systèmes autonomes et embarqués (capteurs intelligents, intelligence artificielle) sont : la vitesse, la compacité et l'intégration.
De nombreuses solutions matérielles innovantes et à faible consommation d'énergie s'inspirent de la biologie et de la physique pour résoudre efficacement des tâches de calcul complexes. L'une des directions les plus prometteuses est d'émuler des paradigmes de physique quantique ou statistique pour construire des systèmes de calcul innovants capables de résoudre des problèmes d'optimisation combinatoire. De tels problèmes (problèmes du voyageur de commerce) se retrouvent dans tous les domaines de la vie quotidienne. Dans cette optique, la machine d'Ising est une approche prometteuse basée sur l'Hamiltonien d’Ising représentant un réseau de spins binaires couplés. Les machines d'Ising exploitent la convergence inhérente du système Hamiltonien sous-jacent vers les minima d'énergie. Ils permettent ainsi une convergence ‘in-situ’ basée sur la physique du matériel informatique vers la solution du problème d'optimisation.

Objectif:
Dans cet esprit, SpinIM vise à explorer une nouvelle approche de calcul hardware ultra-rapide, économe en énergie, compacte et scalable à base de la spintronique, pour résoudre des problèmes d’optimisation complexe. SpinIM fera la démonstration d’une machine d’Ising spintronique intégrée à l’échelle nanométrique utilisant des nano-oscillateurs à transfert de spin couplés par des courants électriques radio-fréquences. Grâce à ce premier prototype de preuve de concept, nous résoudrons des tâches d’optimisation telles que les problèmes de coupe maximale et de coloration de graphes. Pour atteindre cet objectif ambitieux, nous contrôlerons et programmerons les couplages micro-ondes entre les nano-oscillateurs à l’aide de transistors commandés en tension dans des architectures monolithiques CMOS-spintronique co-intégrées.

La méthodologie globale de SpinIM comprend quatre étapes scientifiques principales :

(WP2) nanofabrication et conception de trois types de nano-oscillateurs à couple de spin pour émuler les spins d'Ising (vortex-STNO, MTJ-STNO perpendiculaire, et STNO à trois terminaux).
(WP3) Analyse des performances RF des états de phase binaires et de la dynamique de phase stochastique des spins d'Ising simples et couplés, combinée au développement d'un cadre de simulation pour la mise en œuvre d'algorithmes d'optimisation.
(WP4) Implémentation d'un réseau de spins d'Ising reconfigurable sur des circuits RF-IC sur CMOS, testé pour des réseaux à petite échelle ( N<10 STNOs), co-intégrés avec les circuits CMOS.
(WP5) Mise en œuvre et définition de problèmes d'optimisation résolus par le démonstrateur de machine d'Ising conçu, combinés à l'évaluation des performances et de la mise à l'échelle de l'approche de calcul.

Sur la base des solutions scientifiques et techniques proposées par SpinIM, nous ouvrirons la voie vers des systèmes hardware à faible consommation d’énergie pour le calcul non conventionnel.

Les partenaires de SpinIM CEA-SPINTEC et CEA-LETI possèdent des compétences et des expertises complémentaires (spintronique et intégration CMOS de mémoire non-volatile) et ont à plusieurs reprises collaboré dans des précédents projets.