Biaxiale nanomagneten als bouwsteen voor gebalanceerde half-adders

Groep: DyNaMat

Promotoren en begeleider: Bartel Van Waeyenberge, Jonathan Leliaert en Pieter Gypens

Inlichtingen: tel. 09/264.43.42 of contacteer rechtstreeks een betrokken persoon (de contactgegevens opvragen door op de naam te klikken)

Probleemstelling

Biaxiale nanomagneten als bouwsteen voor gebalanceerde half-adders

Sommige problemen zijn zeer moeilijk op te lossen met klassieke computers. Een bekend voorbeeld is het ontbinden van een getal in zijn priemfactoren. Conventionele digitale elektronica is namelijk niet ontworpen om de input (de priemfactoren) te bepalen wanneer de output (het getal) gekend is.

Een fysisch systeem dat zulke problemen wel kan oplossen, is nanomagnetische logica. In tegenstelling tot conventionele elektronica, is er geen beperking die stelt dat de informatie van input naar output moet propageren. De informatie, die vervat zit in de magnetisatie van kleine magnetische eilandjes, propageert doorheen heel het systeem via de magnetostatische lange-dracht interactie. De oplossing van een probleem wordt dan gegeven door de evenwichtstoestand van het fysisch systeem. Door de magnetische eilandjes in een specifieke configuratie te plaatsen, kan op die manier een computationeel probleem opgelost worden (bijvoorbeeld een logische AND operatie).

Echter, zelfs wanneer individuele logische poorten correct werken, is het mogelijk dat circuits bestaande uit zulke poorten niet naar de juiste oplossing convergeren. Om dit te vermijden moeten “gebalanceerde” poorten gebruikt worden waarbij alle input-output combinaties dezelfde (grondtoestand) energie hebben. In onze groep werd de eerste gebalanceerde nanomagnetsiche logische NAND poort ontwikkeld (zie figuur).

Een essentiële logische poort om complexere berekeningen te kunnen uitvoeren (zoals een vermenig-vuldiging van twee getallen), is een half-adder die 2 bits als input heeft én 2 bits als output heeft. Uniaxiale nanomagneten die de standaard zijn in nanomagnetische logica, vervatten slechts 1 bit.   Daarom lijken biaxiale nanomagneten, die 4 evenwichtstoestanden hebben en dus 2 bits bevatten, een betere keuze om gebalanceerde half adders te bouwen die tot op heden niet bestaan.

Doelstelling

In deze thesis zul je aan de hand van micromagnetische simulaties en netwerk-theorie een design voor een (gebalanceerde) half adder ontwikkelen. Bij dit onderzoek naar magnetisatiedynamica op de nanoschaal zul je het softwarepakket MuMax3 gebruiken, dat geoptimaliseerd is om simulaties op grafische kaarten te laten lopen.

In een tweede stap zul je de ontwikkelde poorten combineren tot een logisch circuit om een moeilijk probleem, zoals een ontbinding in priemfactoren, “in hardware” op te lossen. Deze aanpak heeft het voordeel dat ze niet afhangt van software-algoritmes waarvan gekend is dat ze zeer inefficiënt worden naarmate het te ontbinden getal groter wordt, maar dat de berekening uitgevoerd wordt door een relaxatie naar de grondtoestand van het systeem.

Dit onderwerp kan ook opgenomen worden binnen de educatieve master. Aan dit onderwerp is geen mobiliteitsaspect verbonden.