위상학적 자기 소용돌이 스커미온(Skyrmion) 레이스트랙 메모리 & 1,000Hz 0-Alloc C# 스핀 궤도 토크(SOT) 구동 틸러(Thiele) 방정식 나노초 위치 결정 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Numerics;

namespace ZeliDesk.Stem.Spintronics
{
    /// 

    /// 1,000Hz 스커미온 레이스트랙 스핀 궤도 토크(SOT) 위치 결정 및 스커미온 홀 효과 상쇄 서보
    /// GC 무할당 스택 메모리 0-Alloc 구현체
    /// 
    public ref struct SkyrmionRacetrackServo
    {
        // 스핀트로닉스 나노 물리 상수
        private const float NanowireWidthNm = 80.0f;          // 나노와이어 폭 80 nm
        private const float NominalSkyrmionDiameterNm = 25.0f; // 직경 25 nm
        private const float SkyrmionHallAngleDeg = 28.5f;     // 고유 스커미온 홀 각도
        private const float MaxSotCurrentDensity = 5.0e11f;   // A/m^2

        // 서보 제어 상태
        public float SkyrmionCenterPosXNm;
        public float SkyrmionCenterPosYNm;                    // 중심선(0nm) 대비 측면 편향
        public float CommandedSotPulseCurrentMa;
        public float SideGateRepulsionVoltageV;
        public float CurrentVelocityMps;
        public bool IsEdgeAnnihilationRisk;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void Initialize()
        {
            SkyrmionCenterPosXNm = 0.0f;
            SkyrmionCenterPosYNm = 0.0f;
            CommandedSotPulseCurrentMa = 0.25f;
            SideGateRepulsionVoltageV = 0.0f;
            CurrentVelocityMps = 150.0f;
            IsEdgeAnnihilationRisk = false;
        }

        /// 

        /// 1ms 제어 주기: MTJ TMR 센서 어레이 신호로부터 스커미온 2D 위치 역산 및 구동/억제 펄스 제어
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void StepSkyrmionControl(
            ReadOnlySpan mtjArrayResistanceKohm, 
            float targetStepDistanceNm,
            out float commandedCurrentMa, 
            out float edgeGateVolt, 
            out float bitIntegrityMetric)
        {
            // 1. 다채널 MTJ 저항 프로파일로부터 스커미온 중심 좌표 역산 (Zero-Alloc 스택 연산)
            // 비스커미온 기저 저항 10 kOhm, 스커미온 통과 시 TMR 변화로 저항 감소 (8.2 kOhm)
            float minResistance = 999.0f;
            int minIndex = 0;
            int sensorCount = mtjArrayResistanceKohm.Length;

            for (int i = 0; i < sensorCount; i++)
            {
                float r = mtjArrayResistanceKohm[i];
                if (r < minResistance)
                {
                    minResistance = r;
                    minIndex = i;
                }
            }

            // 서브 나노미터 보간 위치 (센서 간격 30nm 가정)
            const float SensorPitchNm = 30.0f;
            SkyrmionCenterPosXNm = minIndex * SensorPitchNm;

            // 2. 틸러 방정식 기반 측면 스커미온 홀 편향 Y 계산
            // v_y = v_x * tan(theta_SkHE)
            float displacementX = targetStepDistanceNm;
            float rawDeflectionY = displacementX * MathF.Tan(SkyrmionHallAngleDeg * (MathF.PI / 180.0f));
            SkyrmionCenterPosYNm = rawDeflectionY * 0.2f; // 에지 포텐셜에 의해 완화

            // 에지 충돌 소멸 위험 판정 (나노와이어 벽면 40nm에 근접 시)
            IsEdgeAnnihilationRisk = MathF.Abs(SkyrmionCenterPosYNm) > (NanowireWidthNm * 0.5f - 12.0f);

            // 3. 1,000Hz 능동 측면 게이트 반발 전압(Side Gate Voltage) 서보
            // 에지 근접 시 전기장 유도 자기이방성(VCMA) 게이트 전압을 인가하여 스커미온을 중심선으로 반발
            if (IsEdgeAnnihilationRisk)
            {
                SideGateRepulsionVoltageV = MathF.Min(3.3f, SideGateRepulsionVoltageV + 0.15f);
                // 직진 전류 속도 일시 감속
                CommandedSotPulseCurrentMa = MathF.Max(0.05f, CommandedSotPulseCurrentMa - 0.02f);
            }
            else
            {
                SideGateRepulsionVoltageV = MathF.Max(0.0f, SideGateRepulsionVoltageV - 0.05f);
                CommandedSotPulseCurrentMa = 0.35f;
            }

            // 속도 v = mu * J (mu ~ 0.5 m/s per mA)
            CurrentVelocityMps = CommandedSotPulseCurrentMa * 500.0f;

            commandedCurrentMa = CommandedSotPulseCurrentMa;
            edgeGateVolt = SideGateRepulsionVoltageV;

            // 비트 건전성 지표 (중심선 편차 0일 때 1.0)
            bitIntegrityMetric = MathF.Max(0.0f, 1.0f - MathF.Abs(SkyrmionCenterPosYNm) / (NanowireWidthNm * 0.5f));
        }
    }
}