Spintronic and Electronic Oscillators for Magnetic Field Sensing and Ising Machines
Tid: Må 2023-06-12 kl 13.00
Plats: Sal C, Electrum, Kistagången 16, Kista
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/64645889464
Språk: Engelska
Ämnesområde: Informations- och kommunikationsteknik
Respondent: Dagur Ingi Albertsson , Elektronik och inbyggda system
Opponent: Professor Atila Alvandpour, Department of Electrical Engineering, Linköping University
Handledare: Professor Ana Rusu, Elektronik och inbyggda system; Professor Johan Åkerman, Department of Physics, University of Gothenburg; Associate Professor Saul Rodriguez Duenas, Elektronik och inbyggda system
QC 20230510
Abstract
Oscillatorer har en mycket rik och komplex dynamik som ofta kan observeras i naturen. Dessa egenskaper inkluderar synkronisering, injektionslåsning, kaos, bifurkationer, etc. Hittills har tillämpningarna av elektroniska oscillatorer mestadels varit begränsade till kommunikationssystem. Under senare år har möjligheten att utnyttja oscillatorernas rika dynamik i okonventionella tillämpningar inklusive tidsbaserad informationsbehandling och för beräkningstillämpningar undersökts. I denna avhandling utforskas denna potential både med hjälp av nya spintroniska oscillatorer och etablerade elektroniska oscillatorer.
Den första delen av avhandlingen är inriktad på framväxande spintroniska oscillatorer, som har en rad attraktiva egenskaper, inklusive GHz-frekvenser, bred avstämbarhet och storlek i nano-skala. För att utforska potentialen hos dessa oscillatorer utvecklades en elektrisk modell för den lovande tre-terminals spin-Hall nano-oscillatorn. Modellen är baserad på makrospin-approximationen, som vanligtvis används för att beskriva den principiella funktionen av spintroniska oscillatorer, och den implementerades i Verilog-A. Dessutom verifierades modellen mot experimentella mätningar från litteraturen, vilket visar att modellen kan beskriva de viktigaste egenskaperna hos tre-terminala spin-Hall nano-oscillatorer. Därefter identifierades och utforskades två potentiella tillämpningar som kan dra nytta av de unika egenskaperna hos spintroniska oscillatorer. Först föreslogs ett magnetfälts-avkänningssystem, baserat på den breda frekvensavstämningen hos spintroniska oscillatorer som en funktion av externt applicerat magnetfält. Systemet är inspirerat av spänningsstyrda oscillatorer analog-till-digital-omvandlare och kan ge fördelar jämfört med andra tillvägagångssätt. Därefter undersöktes möjligheten att använda spintroniska oscillatorer för att realisera oscillator-baserade Ising-maskiner (IMs) och detta demonstrerades med simuleringar. IM är hårdvaruarkitekturer som specifikt inriktar sig på svåra kombinatoriska optimeringsproblem, som är utmanande att lösa på den konventionella von-Neumann arkitekturen.
Den andra delen av avhandlingen utvidgar idén om oscillator-baserade IM, men med hjälp av elektroniska oscillatorer. Potentialen med att realisera mycket konfigurerbara oscillator-IMs baserade på kvasiperiodiskt modulerad koppling undersöktes. Fördelarna och de potentiella utmaningarna med detta tillvägagångssätt lyftes fram, och en proof-of-concept IM med CMOS-ring oscillatorer föreslogs och simulerades. Slutligen föreslogs och utvecklades en ny typ av IM baserade på bifurkationer i ett nätverk av kopplade Duffing-oscillatorer.