Commensurable and Chaotic Nano-Contact Vortex Oscillator (NCVO) study for information processing
Étude d'oscillateur à vortex nano-contact commensurable et chaotique (NCVO) pour le traitement de l'information
Résumé
The amount of data used in information technology is increasing dramatically. This comes with the proliferation of highly advanced electronic technologies. The thermal issues, rising as an effect of such large data processes, impose the usage of novel technologies and paradigms in place of CMOS circuits. Spintronic devices are one of many alternatives proposed so far in the literature. In this work, we consider a spintronic device called nano-contact vortex oscillator (NCVO), which has recently begun to gain attention due to its rich and variable dynamics. This oscillators is operated by an bias DC current and subjected in a magnetic field, that determines it output dynamics. The practical use of the NCVO requires the existence of an accurate model that imitates its output magnetization and the vortex's trajectory rotating around the center in the upper layer of the device. These two variables are needed for the calculation of the equivalent resistance of the NCVO. For that, we build in this PhD work a model for the NCVO producing these two variables using a reservoir computing approach called conceptor-driven network. The network is trained on NCVO data gained by micromagnetic simulation. The built model successfully captures the NCVO dynamics in its different regimes (chaotic, periodic, and quasi- periodic) with an easy shift between regimes. The same network is used then for the detection of chaos in the input-times series. The proposed chaos-detection method has shown to be efficient and more robust compared to existing methods. Finally, the NCVO model is exploited for truly random number generation (TRNG) where a hardware design, fed by a chaotic signal generated by the model, is proposed. This design has shown the ability to compete existing RNG techniques in terms of speed, cost, and quality.
La quantité de données utilisées dans les technologies de l'information augmente considérablement. Cela s'accompagne de la prolifération de technologies électroniques très avancées. Les problèmes thermiques, résultant de ces grands processus de données, imposent l'utilisation de nouvelles technologies et de nouveaux paradigmes à la place des circuits CMOS. Les dispositifs spintroniques sont l'une des nombreuses alternatives proposées jusqu'à présent dans la littérature. Dans ce travail, nous considérons un dispositif spintronique appelé oscillateur vortex à nano-contact (NCVO), qui a récemment commencé à attirer l'attention en raison de sa dynamique riche et variable. Cet oscillateur est actionné par un courant continu de polarisation et soumis à un champ magnétique, qui détermine sa dynamique de sortie. L'utilisation pratique du NCVO nécessite l'existence d'un modèle précis qui imite son aimantation de sortie et la trajectoire du vortex tournant autour du centre dans la couche supérieure de l'appareil. Ces deux variables sont nécessaires au calcul de la résistance équivalente du NCVO. Pour cela, nous construisons dans ce travail de thèse un modèle pour le NCVO produisant ces deux variables en utilisant une approche de calcul réservoir appelée réseau piloté par conceptor. Le réseau est formé sur les données NCVO acquises par simulation micromagnétique. Le modèle construit capture avec succès la dynamique du NCVO dans ses différents régimes (chaotique, périodique et quasi-périodique) avec un passage facile entre les régimes. Le même réseau est ensuite utilisé pour la détection du chaos dans la série des temps d'entrée. La méthode de détection de chaos proposée s'est révélée efficace et plus robuste par rapport aux méthodes existantes. Enfin, le modèle NCVO est exploité pour la génération de nombres véritablement aléatoires (TRNG) où une conception matérielle, alimentée par un signal chaotique généré par le modèle, est proposée. Cette conception a montré la capacité de concurrencer les techniques RNG existantes en termes de vitesse, de coût et de qualité.