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Tunable Random Telegraph Noise in Stable Perpendicular Magnetic Tunnel Junctions for Unconventional Computing

यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि तापीय रूप से स्थिर लंबवत चुंबकीय टनल जंक्शनों को ट्यूनेबल रैंडम टेलीग्राफ नॉइज़ उत्पन्न करने के लिए नैनोसेकंड पल्स द्वारा संचालित किया जा सकता है, जो संभाव्य (प्रोबेबिलिस्टिक) और न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग प्रणालियों में नियतात्मक (डिटरमिनिस्टिक), स्टोकेस्टिक और इन-मेमोरी कार्यात्मकताओं को एकीकृत करने के लिए एक बहुमुखी मंच स्थापित करता है।

मूल लेखक: Ahmed Sidi El Valli, Michael Tsao, Dairong Chen, Andrew D. Kent

प्रकाशित 2026-01-15

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Ahmed Sidi El Valli, Michael Tsao, Dairong Chen, Andrew D. Kent

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

यहाँ इस शोध पत्र का सरल भाषा और रोज़मर्रा के उदाहरणों के साथ विवरण दिया गया है।

मुख्य विचार: एक "मजबूत" मेमोरी को "पासा फेंकने वाले" यंत्र में बदलना

कल्पना कीजिए कि आपके पास एक बहुत ही भरोसेमंद, भारी-भरकम लाइट स्विच है। कंप्यूटर मेमोरी की दुनिया में (विशेष रूप से एक उपकरण जिसे परपेंडिकुलर मैग्नेटिक टनल जंक्शन या pMTJ कहा जाता है), यह स्विच "On" या "Off" स्थिति में मजबूती से टिके रहने के लिए बनाया गया है। इसे स्थिर बनाया गया है ताकि यह गर्मी या कंपन के कारण गलती से न बदल जाए। यह इसे हार्ड ड्राइव की तरह डेटा स्टोर करने के लिए एकदम सही बनाता है।

आमतौर पर, यदि आप चाहते हैं कि कंप्यूटर वास्तविक यादृच्छिकता (true randomness) उत्पन्न करे (जैसे पासा फेंकना), तो आपको एक अलग प्रकार के स्विच की आवश्यकता होती है—एक जो इतना हल्का और अस्थिर हो कि वह गर्मी के कारण अपने आप ही आगे-पीछे बदलता रहे। इन्हें सुपरपैरामैग्नेटिक स्विच कहा जाता है।

इस शोध पत्र की बड़ी उपलब्धि: शोधकर्ताओं ने उस "मजबूत" स्विच को लेने और उसे बिना अस्थिर बनाए, आदेशानुसार एक "पासा फेंकने वाले" यंत्र की तरह काम करने का तरीका खोज निकाला है।

उन्होंने यह कैसे किया: "धक्का और खिंचाव" का खेल

स्थिर स्विच को एक गहरी घाटी में रखी गेंद के रूप में सोचें।

सामान्य मोड (मेमोरी): गेंद घाटी के तल पर बैठी है। जब तक आप उसे ज़ोरदार धक्का नहीं देंगे, वह नहीं हिलेगी। यह डेटा को सुरक्षित रूप से स्टोर करने का तरीका है।
पुराना यादृच्छिक तरीका (Old Random Way): यादृच्छिकता प्राप्त करने के लिए, आपको आमतौर पर एक उथली घाटी बनानी पड़ती है ताकि गेंद अपने आप डगमगाती रहे। लेकिन फिर, गेंद तब भी लुढ़क सकती है जब आप उसे नहीं चाहते (डेटा का नुकसान)।
नया "एक्चुएटेड" तरीका (New "Actuated" Way): शोधकर्ताओं ने गहरी घाटी (स्थिर स्विच) को बरकरार रखा, लेकिन नैनोसेकंड लंबे सूक्ष्म विद्युत स्पंदों (electrical pulses) का उपयोग करके गेंद को लयबद्ध तरीके से आगे-पीछे धीरे से धकेलना शुरू कर दिया।

वे इस नए उपकरण को एक्चुएटेड-स्टोकेस्टिक MTJ (A-sMTJ) कहते हैं।

यह प्रक्रिया इस प्रकार काम करती है:

सेटअप: वे एक स्थिर स्विच का उपयोग करते हैं जो अपने आप नहीं बदलता।
धक्का (The Nudge): वे विद्युत स्पंदों (pulches) का एक तीव्र क्रम भेजते हैं। एक स्पंद स्विच को "On" करने की कोशिश करता है, और अगला उसे "Off" करने की कोशिश करता है।
जादू: क्योंकि स्पंद बहुत तेज़ और छोटे होते हैं, स्विच हमेशा आज्ञा नहीं मानता। कभी-कभी "धक्का" काम करता है, और कभी-कभी विफल हो जाता है। यह "On" और "Off" अवस्थाओं का एक यादृच्छिक पैटर्न बनाता है, जिसे रैंडम टेलीग्राफिक नॉइज़ (Random Telegraph Noise) कहा जाता है।

उन्होंने क्या खोजा

शोधकर्ताओं ने दिखाया कि उनके पास इस यादृच्छिकता (randomness) पर पूर्ण नियंत्रण है, जो इस आविष्कार की कुंजी है:

गति नियंत्रण (Speed Control): वे धक्का कितनी ज़ोर से देते हैं (वोल्टेज आयाम बदलकर), इससे वे स्विच को बहुत धीरे-धीरे बदल सकते हैं (माइक्रोसेकंड तक एक ही अवस्था में रहना) या बहुत तेज़ी से (कुछ नैनोसेकंड में बदलना)। वे इसे 100 गुना से अधिक की सीमा में ट्यून कर सकते हैं।
बायस नियंत्रण (Bias Control): वे स्पंदों को इस तरह समायोजित कर सकते हैं कि स्विच के "On" होने की संभावना अधिक हो या "Off" होने की संभावना अधिक हो, या पूरी तरह से संतुलित (50/50) हो।
अनुमानित अराजकता (Predictable Chaos): भले ही स्विचिंग यादृच्छिक है, लेकिन यह एक बहुत ही विशिष्ट गणितीय पैटर्न (जिसे पॉइसन प्रोसेस कहा जाता है) का पालन करती है, जिसका अर्थ है कि यादृच्छिकता विश्वसनीय और सुसंगत है, न कि केवल अराजक शोर।

यह क्यों महत्वपूर्ण है (शोध पत्र के अनुसार)

पेपर का तर्क है कि यह उपकरण भविष्य के कंप्यूटरों के लिए एक "स्विस आर्मी नाइफ" (बहुउद्देशीय उपकरण) है:

एक चिप, दो काम: आमतौर पर, आपको मेमोरी (डेटा स्टोर करने) के लिए एक प्रकार की चिप और यादृच्छिकता (सुरक्षा या AI के लिए) उत्पन्न करने के लिए दूसरी प्रकार की चिप की आवश्यकता होती है। यह उपकरण दोनों काम एक ही चिप पर कर सकता है। जब आपको डेटा सुरक्षित रखना हो, तो यह एक स्थिर मेमोरी स्विच हो सकता है, और जब आपको जटिल समस्याओं को हल करना हो, तो यह एक रैंडम नंबर जनरेटर बन सकता है।
बेहतर स्थिरता: चूंकि स्विच भौतिक रूप से स्थिर है (इसमें उच्च ऊर्जा अवरोध है), इसलिए तापमान परिवर्तन या निर्माण दोषों के कारण इसके बिगड़ने की संभावना पुराने "डगमगाते" रैंडम स्विचों की तुलना में बहुत कम है।
नए कंप्यूटिंग स्टाइल: यह "गैर-पारंपरिक कंप्यूटिंग" के द्वार खोलता है। केवल चरण-दर-चरण गणित करने के बजाय (एक मानक कैलकुलेटर की तरह), ये उपकरण मानव मस्तिष्क के काम करने के तरीके की नकल करने वाले (न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग) या लाखों संभावनाओं में से सबसे अच्छा समाधान खोजने वाले (प्रोबेबिलिस्टिक कंप्यूटिंग) तरीकों का उपयोग कर सकते हैं।

सारांश उपमा (Summary Analogy)

कल्पedिए कि एक गलियारे में एक दरवाजा है।

मानक मेमोरी: दरवाजा भारी और लॉक है। जब तक आप चाबी का उपयोग नहीं करते, यह खुला या बंद रहता है।
पुराना रैंडम जनरेटर: दरवाजा कागज का बना है। हवा (गर्मी) के कारण यह अपने आप खुलता और बंद होता रहता है। यह यादृच्छिक है, लेकिन आप भरोसा नहीं कर सकते कि जब आपको इसकी ज़रूरत हो, तो यह बंद रहेगा।
यह नया उपकरण: दरवाजा भारी और लॉक है (स्थिर)। लेकिन, आपके पास एक रोबोटिक हाथ है जो दरवाजे के हैंडल को लयबद्ध तरीके से थपथपाता है। कभी-कभी थपथपाहट इतनी तेज़ होती है कि दरवाजा खुल जाता है; कभी-कभी नहीं। थपथपाहट को नियंत्रित करके, आप यह तय कर सकते हैं कि दरवाजा कितनी बार खुलेगा और बंद होगा, जिससे दरवाजे की स्थिरता को नुकसान पहुँचाए बिना एक सटीक, ट्यूनेबल यादृच्छिक लय बनाई जा सकती है।

पेपर यह प्रदर्शित करता है कि यह "रोबोट द्वारा थपथपाया गया दरवाजा" पूरी तरह से काम करता है, जो अगली पीढ़ी के स्मार्ट, कुशल कंप्यूटर बनाने के लिए एक बहुमुखी उपकरण प्रदान करता है।

तकनीकी सारांश: अपरंपरागत कंप्यूटिंग के लिए स्थिर लंबवत चुंबकीय टनल जंक्शनों में ट्यूनेबल रैंडम टेलीग्राफ नॉइज़

समस्या विवरण
अपरंपरागत कंप्यूटिंग आर्किटेक्चर के विकास के लिए, विशेष रूप से जो वॉन न्यूमैन सिस्टम की मेमोरी बाधाओं को संबोधित करते हैं और संभाव्य (probabilistic) या न्यूरोमॉर्फिक मॉडलों का समर्थन करते हैं, नए भौतिक बिल्डिंग ब्लॉक्स की आवश्यकता है। जबकि लंबवत चुंबकीय टनल जंक्शन (pMTJs) नॉन-वोलेटाइल मेमोरी (STT-MRAM) के लिए मानक हैं और इन-मेमोरी कंप्यूटिंग के लिए भी खोजे गए हैं, उनका अंतर्निहित स्टोकेस्टिक व्यवहार आमतौर पर दो श्रेणियों तक सीमित होता है: मेमोरी के लिए नियतात्मक स्विचिंग (deterministic switching) या यादृच्छिकता (randomness) के लिए तापीय रूप से संचालित सुपरपैरामैग्नेटिक स्विचिंग (sMTJs)। बाद वाला मामले कम ऊर्जा बाधाओं ( $\Delta \lesssim 20$ ) पर निर्भर करता है, जो तापीय स्थिरता और नॉन-वोलेटिलिटी से समझौता करता है। एक ऐसे डिवाइस की आवश्यकता है जो संभाव्य कंप्यूटिंग के लिए आवश्यक ट्यूनेबल स्टोकेस्टिसिटी के साथ मानक मेमोरी सेल्स की तापीय स्थिरता को जोड़ सके, बिना अपनी एक नियतात्मक स्विच के रूप में कार्य करने की क्षमता का त्याग किए।

कार्यप्रणाली
लेखक एक "एक्टुएटेड-स्टोकेस्टिक मैग्नेटिक टनल जंक्शन" (A-sMTJ) अवधारणा का प्रस्ताव और प्रदर्शन करते हैं। पारंपरिक sMTJs के विपरीत, जो स्वतःस्फूर्त तापीय उतार-चढ़ाव पर निर्भर करते हैं, A-sMTJ उन pMTJs का उपयोग करता है जिनमें तापीय रूप से स्थिर फ्री लेयर्स ( $\Delta \gtrsim 20$ ) होती हैं जहाँ स्वतःस्फूर्त स्विचिंग बाधित होती है। स्टोकेस्टिक व्यवहार को वैकल्पिक ध्रुवता (alternating polarity) वाले नैनोसेकंड-अवधि के वोल्टेज पल्स की एक आवधिक धारा (AC pulses) लागू करके बाहरी रूप से प्रेरित किया जाता है।

प्रायोगिक सेटअप में 40 nm व्यास वाले pMTJs शामिल हैं जिनकी प्रभावी ऊर्जा बाधाएं $\Delta \approx 26$ (AP $\to$ P के लिए) और $\Delta \approx 51$ (P $\to$ AP के लिए) हैं। डिवाइस का संचालन एक विशिष्ट पल्स अनुक्रम का पालन करता है:

स्टोकेस्टिक राइट पल्स S1: एक सकारात्मक वोल्टेज पल्स जो अवस्था "0" (पैरलेल) से "1" (एंटी-पैरलेल) में संक्रमण को बढ़ावा देता है, जिसकी प्रायिकता $\Gamma_{01}$ है।
स्टोकेस्टिक राइट पल्स S2: एक नकारात्मक वोल्टेज पल्स जो "1" से "0" में संक्रमण को बढ़ावा देता है, जिसकी प्रायिकता $\Gamma_{10}$ है।
रीड पल्स: अवस्था को बाधित किए बिना अवस्था का पता लगाने के लिए एक कम आयाम वाला पल्स।

स्विचिंग प्रायिकताओं को 104 MHz पर ये अनुक्रम लागू करके और $10^8$ चक्रों पर अवस्था संक्रमणों को रिकॉर्ड करके मापा जाता है। सिस्टम को स्वतंत्र घटनाओं के एक अनुक्रम के रूप में मॉडल किया गया है जहाँ "1" को पढ़ने की स्थिर-अवस्था प्रायिकता स्विचिंग प्रायिकताओं के अनुपात से प्राप्त होती है।

प्रमुख योगदान और परिणाम

ट्यूनेबल स्टोकेस्टिसिटी का प्रदर्शन: यह पेपर स्थापित करता है कि स्थिर pMTJs को नियंत्रित फ्लक्चुएशन दरों और प्रायिकता बायस के साथ रैंडम टेलीग्राफ नॉइज़ (RTN) प्रदर्शित करने के लिए एक्टुएट किया जा सकता है।
व्यापक ट्यूनेबिलिटी रेंज: फ्लक्चुएशन दर दो आदेशों (orders of magnitude) से अधिक ट्यून करने योग्य है। ड्राइविंग पल्स के आयाम को समायोजित करके औसत अवस्था ड्वेल समय ( $\tau_0$ और $\tau_1$ ) को 29 ns से लेकर 2.3 $\mu$ s से अधिक तक देखा गया।
पॉइसोनियन सांख्यिकी (Poissonian Statistics): डिवाइस की टेम्पोरल डायनेमिक्स को एक पॉइसोन प्रक्रिया के अनुरूप दिखाया गया है। ड्वेल-टाइम हिस्टोग्राम घातांकीय क्षय (exponential decay) प्रदर्शित करते हैं, और आउटपुट सिग्नल का ऑटोकोरिलेशन $\tau < 100$ ns के लिए एक आदर्श पॉइसोन प्रक्रिया के सैद्धांतिक घातांकीय क्षय से मेल खाता है।
प्रायिकता नियंत्रण: आउटपुट अवस्था की स्थिर-अवस्था प्रायिकता ( $p$ ) पल्स आयामों के माध्यम से नियंत्रणीय है। प्रयोगात्मक डेटा सैद्धांतिक मॉडल $p = \Gamma_{01} / (\Gamma_{01} + \Gamma_{10} - \Gamma_{01}\Gamma_{10})$ के अनुरूप है। लेखक नोट करते हैं कि भले ही $\Gamma_{01} = \Gamma_{10}$ हो, पल्स अनुक्रम के सापेक्ष रीडआउट की विशिष्ट टाइमिंग के कारण $p$ , 0.5 के बराबर नहीं होता है।
द्वितीयक सहसंबंध (Secondary Correlations): हालांकि समग्र व्यवहार मुख्य रूप से पॉइसोनियन है, $\tau \approx 144$ ns पर एक द्वितीयक ऑटोकोरिलेशन पीक देखी गई, जो स्विचिंग घटनाओं के बीच सूक्ष्म टेम्पोरल सहसंबंधों या मेमोरी प्रभावों का सुझाव देती है, जो कि पारंपरिक sMTJs में भी देखी गई एक घटना है।

महत्व और दावे
लेखक दावा करते हैं कि यह कार्य A-sMTJs को एक एकल चिप पर नियतात्मक, स्टोकेस्टिक और इन-मेमोरी फंक्शनलिटी को एकीकृत करने के लिए एक बहुमुखी मंच के रूप में स्थापित करता है। तापीय रूप से स्थिर लेयर्स का उपयोग करके, डिवाइस कम-बैरियर वाले sMTJs की तुलना में बाहरी विक्षोभों (तापमान, ज्यामिति, सामग्री भिन्नता) के प्रति बेहतर लचीलापन प्रदान करता है, जबकि नॉन-वोलेटिलिटी को भी बनाए रखता है।

यह पेपर A-sMTJ को निम्नलिखित के लिए एक प्रमुख घटक के रूप में प्रस्तुत करता है:

संभाव्य और न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग: संभाव्य एल्गोरिदम के लिए ट्यूनेबल रैंडम बिट्स उत्पन्न करने के लिए हार्डवेयर तत्व प्रदान करना।
ट्रू रैंडम नंबर जनरेशन (TRNG): नियंत्रित सांख्यिकीय गुणों के साथ यादृच्छिकता का स्रोत प्रदान करना।
हाइब्रिड आर्किटेक्चर: एक ही डिवाइस को मेमोरी एलिमेंट (नियतात्मक स्विच) और स्टोकेस्टिक एलिमेंट दोनों भूमिकाएं निभाने में सक्षम बनाना, जिससे एक एकीकृत भौतिक ढांचे के भीतर कई कंप्यूटिंग प्रतिमानों की खोज की जा सके।

लेखक ऊर्जा दक्षता के संबंध में एक मध्यम स्वर बनाए रखते हैं, यह स्वीकार करते हुए कि वर्तमान स्विचिंग ऊर्जा (~~0.8 pJ) तापीय रूप से सक्रिय sMTJs (~~2 fJ) की तुलना में अधिक है, लेकिन वे सुझाव देते हैं कि इसे STT-MRAM विकास के केंद्र में स्थित अनुकूलन रणनीतियों के माध्यम से कम किया जा सकता है। यह कार्य सीधे तौर पर किसी कॉम्बिनेटरियल समस्या को हल करने का दावा नहीं करता है, बल्कि यह सुझाव देता है कि ऐसे उपकरणों के एरे का उपयोग बड़े पैमाने पर संभाव्य और न्यूरोमॉर्फिक सिस्टम के लिए किया जा सकता है।

मुख्य विचार: एक "मजबूत" मेमोरी को "पासा फेंकने वाले" यंत्र में बदलना

उन्होंने यह कैसे किया: "धक्का और खिंचाव" का खेल

उन्होंने क्या खोजा

यह क्यों महत्वपूर्ण है (शोध पत्र के अनुसार)

सारांश उपमा (Summary Analogy)

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