A design of magnetic tunnel junctions for the deployment of neuromorphic hardware for edge computing

神经形态工程学 软件部署 隧道磁电阻 GSM演进的增强数据速率 计算机科学 嵌入式系统 计算机体系结构 材料科学 光电子学 电气工程 纳米技术 工程类 操作系统 电信 人工智能 人工神经网络 图层(电子)
作者
Davi R. Rodrigues,Eleonora Raimondo,Riccardo Tomasello,Mario Carpentieri,Giovanni Finocchio
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:126 (9) 被引量:1
标识
DOI:10.1063/5.0237090
摘要

The electrically readable complex dynamics of robust and scalable magnetic tunnel junctions (MTJs) offer promising opportunities for advancing neuromorphic computing. In this work, we present an MTJ design with a free layer and two polarizers capable of computing the sigmoidal activation function and its gradient at the device level. This design enables both feedforward and backpropagation computations within a single device, extending neuromorphic computing frameworks previously explored in the literature by introducing the ability to perform backpropagation directly in hardware. Our algorithm implementation reveals two key findings: (i) the small discrepancies between the MTJ-generated curves and the exact software-generated curves have a negligible impact on the performance of the backpropagation algorithm, (ii) the device implementation is highly robust to inter-device variation and noise, and (iii) the proposed method effectively supports transfer learning and knowledge distillation. To demonstrate this, we evaluated the performance of an edge computing network using weights from a software-trained model implemented with our MTJ design. The results show a minimal loss of accuracy of only 0.4% for the Fashion MNIST dataset and 1.7% for the CIFAR-100 dataset compared to the original software implementation. These results highlight the potential of our MTJ design for compact, hardware-based neural networks in edge computing applications, particularly for transfer learning.
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