Ученые разработали компонент для нейроморфного компьютера

Нейронные сети являются одними из наиболее важных инструментов искусственного интеллекта (ИИ): они имитируют работу человеческого мозга и могут надежно распознавать тексты, язык и изображения, и это лишь некоторые возможности. Пока что они работают на традиционных процессорах в виде адаптивного программного обеспечения, но эксперты работают над альтернативной концепцией — «нейроморфным компьютером».

В этом случае точки переключения мозга — нейроны — не моделируются программно, а реконструируются аппаратными компонентами. Группа исследователей из Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) продемонстрировала новый подход к такому оборудованию — целевые магнитные волны, которые генерируются и делятся на пластины микрометрового размера. Заглядывая в будущее, это может означать, что задачи оптимизации и распознавания образов могут выполняться быстрее и с меньшим энергопотреблением. Исследователи представили свои результаты в журнале Physical Review Letters.

Ученые основали свои исследования на крошечном диске из магнитного материала железо-никель, диаметром всего несколько микрометров. Вокруг этого диска помещено золотое кольцо: когда через него протекает переменный ток в диапазоне гигагерца, он излучает микроволны, которые возбуждают так называемые спиновые волны в диске.

«Электроны в железо-никеле демонстрируют вращение, своего рода кружение на месте, скорее, как волчок», — объясняет Хельмут Шульхайс из HZDR. «Мы используем микроволновые импульсы, чтобы немного сбить верхнюю часть электронов». Затем электроны передают это возмущение своим соседям, что заставляет спиновую волну проходить сквозь материал. Таким образом можно очень эффективно передавать информацию без необходимости перемещать сами электроны, как это происходит в современных компьютерных микросхемах.

Еще в 2019 году исследователи обнаружили нечто замечательное: при определенных обстоятельствах спиновая волна, генерируемая в магнитном вихре, может быть разделена на две волны, каждая с пониженной частотой.

«За это ответственны так называемые нелинейные эффекты», — объясняют ученые. «Они активируются только тогда, когда излучаемая микроволновая мощность превышает определенный порог». Такое поведение предполагает, что спиновые волны являются многообещающими кандидатами на роль искусственных нейронов, потому что существует удивительная параллель с работой мозга: эти нейроны также срабатывают только при превышении определенного порога стимула.

Однако сначала ученым не удавалось очень точно контролировать деление спиновой волны. Таким образом, команде пришлось придумать способ решения проблемы, которую они теперь описали в Physical Review Letters: в ​​дополнение к золотому кольцу, к магнитной пластине прикреплена небольшая магнитная полоса. Короткий микроволновый сигнал генерирует спиновую волну в этой полоске, которая может взаимодействовать со спиновой волной в пластине и, таким образом, действовать как своего рода приманка.

Спиновая волна в полоске заставляет волну в пластине делиться быстрее. «Достаточно очень короткого дополнительного сигнала, чтобы разделение произошло быстрее», — поясняют исследователи. «Это означает, что теперь мы можем запустить процесс и контролировать временную задержку».

«Следующее, что мы хотим сделать, это построить небольшую сеть с нашими нейронами спиновых волн», — говорят исследователи. «Эта нейроморфная сеть должна затем выполнять простые задачи, такие как распознавание простых шаблонов».

Распознавание лиц и распознавание образов — одно из основных приложений ИИ. Например, распознавание лиц на смартфоне избавляет от необходимости вводить пароль. Чтобы это работало, нейронную сеть необходимо обучить заранее, что требует огромных вычислительных мощностей и огромных объемов данных. Производители смартфонов переносят эту сеть на специальный чип, который затем интегрируется в сотовый телефон. Но у чипа есть слабое место. Он не адаптивен, поэтому, например, не может распознавать лица в маске.

С другой стороны, нейроморфный компьютер также может справляться с подобными ситуациями: в отличие от обычных чипов, его компоненты не имеют жесткой проводки, а функционируют как нервные клетки в головном мозге. Благодаря этому нейроморфный компьютер может обрабатывать большие объемы данных одновременно, как человек, и при этом очень энергоэффективно. Помимо распознавания образов, компьютер нового типа может оказаться полезным и в другой экономически значимой области: для задач оптимизации, таких как высокоточные планировщики маршрутов на смартфонах.

L. Körber et al, Nonlocal Stimulation of Three-Magnon Splitting in a Magnetic Vortex, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.207203