Spintronic and Electronic Oscillators for Magnetic Field Sensing and Ising Machines

• Oscillators can exhibit a range of complex dynamics which are often encountered in nature. These characteristics include synchronization, injection locking, chaos, bifurcations, etc. To date, the applications of electronic oscillators has mostly been limited to communication systems. However, in recent years, the possibility of using the rich dynamics of oscillators in unconventional applications, including time-based information processing and computational applications, has been also explored. In this thesis, this potential is investigated using emerging spintronic oscillators and established electronic oscillators. The first part of this thesis targets emerging spintronic oscillators, which exhibit a range of attractive features, including GHz operating frequency, wide tunability and nanoscale size. To explore the potential of these devices, an electrical behavioural model was developed for the promising three-terminal spin-Hall nano-oscillator. The behavioural model is based on the macrospin approximation, which is commonly used to describe the operation principles of spintronic oscillators, and it was implemented in Verilog-A. Moreover, the behavioural model was verified against experimental measurements from literature, demonstrating that the most important characteristics of three-terminal spin-Hall nano-oscillators are accurately captured. Subsequently, two potential applications that could benefit from the unique characteristics of spintronic oscillators were identified and explored. First, a magnetic field sensing system, which takes advantage of the wide frequency tunability of spintronic oscillators as a function of externally applied magnetic field, was proposed and demonstrated. This sensing system, inspired by voltage-controlled oscillator analog-to-digital converters, shows performance similar to the state-of-the-art magnetic field sensors, making it a promising application for spintronic oscillators. Next, the possibility of utilizing spintronic oscillators to realize Ising machines (IMs) was explored and demonstrated with numerical simulations. This was the first-time demonstration of spintronic oscillator-based Ising machines. The numerical simulation results show that spintronic oscillators are a promising device to realize ultra-fast Ising Machines able to solve complex combinatorial optimization problems on nano-second time scale.The second part of the thesis extends on the idea of oscillator-based IMs, but using electronic oscillators. The potential of realizing highly reconfigurable oscillator-based IMs based on quasiperiodically modulated coupling was explored. The advantages and potential challenges associated with this approach were highlighted, and a proof-of-concept IM using CMOS ring oscillators was proposed and simulated. Finally, a completely new type of IMs based on bifurcations in a network of coupled Duffing oscillators was proposed and developed. This work highlights a new research direction based on using dynamical systems implemented with analog circuits to realize IMs.

• 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.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Elektroteknik och elektronik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering (hsv//eng)

Nyckelord

Spintronic Oscillator

Behavioural Modeling

Macrospin Approximation

Magnetic Field Sensor

Ising Machine

Duffing Oscillator

Kuramoto Model

Informations- och kommunikationsteknik

Information and Communication Technology

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)