傳統計算系統，從材料、器件到電路、架構再到容錯系統和演算法設計，都在竭力避免隨機性。然而，隨著後摩爾時代的來臨以及學界對非馮諾依曼架構興趣的提升，人們越來越傾向於在計算架構中擁抱隨機性而非本能地排斥之，特別是在天然具有隨機性特征的計算中，如蒙特卡羅抽樣、貝葉斯神經網絡、貝葉斯推理網絡、模擬/量子退火演算法加速器，乃至新興的生成式人工智能等等。
圖 1. 自旋軌域力矩磁性隧道結(SOT-MTJ)零場電流驅動的翻轉效能表征。(a)器件結構和測量示意圖。(b)透過沿MTJ易軸掃描面內磁場獲得的R-H回線。(c)由脈沖電流驅動的零場磁化翻轉。插圖是MTJ的掃描電子顯微鏡(SEM)頂檢視。(d)由300ps脈沖驅動的零場磁化翻轉。(e)在2.4倍臨界寫入電壓下進行的超過1012次寫入耐久性測試。
引入隨機性時，兩點非常重要：隨機數的質素和分布。前者需要透過物理熵源——物理過程的本征隨機性來保證而後者——概率分布函數(Probabilistic Distribution Function, PDF)決定了概率計算演算法的成敗。盡管經典電腦可在軟件層面引入特定PDF的偽隨機數，如累積分布函數(CDF)的反函數方法和接受-拒絕抽樣方法等，但是這種軟件層面的隨機數生成方式顯然耗時低效。為應對PDF要求嚴格、隨機數吞吐量較大、速度能耗要求較高的套用場景，開發PDF可調的硬件級真隨機數生成器(TRNG)成為一種必然選擇。磁性隧道結(Magnetic Tunnel Junction, MTJ)，當其磁結構被偏好設定到磁翻轉的臨界狀態時，因受熱啟用過程的擾動，它的電阻值可在高低阻態——反平行和平行的磁結構之間隨機跳變；並且，系統狀態距離臨界狀態的程度，可受外界觸發條件(如電流、電壓、溫度等)精確控制，即MTJ電阻隨機跳變的概率可受上述條件連續控制。因此這一過程成為開發可調概率TRNG的理想物理熵源。
圖 2. 基於MTJ的可調真隨機數生成器(TRNG)的實驗演示。(a)基於MTJ的TRNG的幾種不同實作。(b)MTJ翻轉概率與寫入電壓的關系。黑色實線為擬合的S型曲線。(c-e)在特定電壓0.8V(c)、0.9V(d)和1.0V(e)下連續測試得到的電阻結果。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學室M02課題組開發了高效能自旋軌域轉矩(Spin-orbit Torque, SOT)驅動型MTJ，其尺寸為50nm×200nm，寫入速度為300ps，室溫下隧道磁阻比超過100%，並具有超過1012次的實測迴圈寫入耐用性。更有意思的是這類SOT-MTJ的翻轉概率受驅動電壓連續調控，使其成為一種概率從0%到100%連續可調的0或1二元TRNG——白努利TRNG。它以可調的概率或(1-)抽樣出高阻態(1)或低阻態(0)。
圖 3. 提出的可調PDF的真隨機數生成器示意圖。(a)用於生成隨機數的貝葉斯網絡。(b) 生成具有所需PDF的隨機數的過程。(c)隨機數生成器使用的條件概率表(CPT)。此處(,)=Σ()。(d)中的條件概率與所需分布概率之間的關系。e)根據設計的PDF生成真隨機數的網絡。它包含4層，每層透過虛線指示采樣隨機數的一個位元A、B、C和D。
更進一步，他們還開發了從二元白努利TRNG向套用場景更廣泛的(準)連續型TRNG擴充套件的高效演算法。任何一個自然數，都可以分解成諸如10110…的二進制字串，如0-15之間的自然數可以寫成4位元字串ABCD，其中A-D是二元隨機變量。因此預使得自然數滿足概率分布函數()，實際上只需要尋找到二元隨機變量A-D之間恰當的相互制約或因果關系。而後者剛好可以透過貝葉斯網絡——一種非常適合編碼因果關系的隨機神經網絡來描述。借助貝葉斯網絡這一強大工具，M02課題組匯出了將()關系轉譯成貝葉斯網絡參數的演算法。隨後利用SOT-MTJ——二元TRNG作為網絡節點，利用()轉譯的網絡聯接權重，借助由此生成的四節點貝葉斯推理網絡(ABCD)，他們巧妙地實作了可配置概率分布函數(包括均勻分布、高斯分布、指數分布、卡方分布即其他自訂分布)的TRNG，這不僅能滿足隨機計算、概率計算、模擬退火、模擬量子退火、蒙地卡羅模擬、數碼孿生等等套用場景的需求，更能在生成式人工智能時代釋放自旋電子熵源器件的巨大潛力，極大地拓展SOT-MTJ器件的適用範圍。
圖 4. 基於SOT-MTJ的PDF可調TRNG的采樣結果。(a)用於級聯采樣白努利位元A、B、C和D的電路實作方案。(b)高斯PDF的實作。(c)隨著生成隨機數數量的增加，測量的PDF與所需PDF之間的偏差。(d)生成的相鄰隨機數和i+1之間沒有相關性。(e-h)指數PDF、均勻分布和兩個任意定義的PDF。(i-k)具有不同參數 = 2、8和50的卡方PDF。(l)單峰型PDF，意味著TRNG可以幾乎100%的概率選擇性地輸出0~15之間的任何數碼。
該工作已在【Advanced Science】刊發。中國科學院物理研究所M02課題組韓秀峰研究員、萬蔡華副研究員為論文共同通訊作者構思和指導了該項研發；中國科學院物理所博士生張然是該論文第一作者。其他合作者參與了器件制備、測試、數據分析和論文寫作。該工作致謝科技部重點研發專案和基金委重點基金等專案經費支持。
原文連結
編輯：7號機
