Нейронные сети являются одними из наиболее важных инструментов искусственного интеллекта (ИИ). Они могут имитировать работу человеческого мозга, хорошо распознавать тексты, язык и изображения, и это лишь некоторые варианты их применения. На сегодняшний день они работают на традиционных процессорах в форме адаптивного программного обеспечения, но эксперты работают над альтернативной концепцией - нейроморфным компьютером. В этом случае коммуникационные устройства мозга - нейроны - не моделируются программно, а создаются аппаратными компонентами самого компьютера. Группа исследователей из Центра Гельмгольца Дрезден-Россендорф (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)) продемонстрировала новый подход к оборудованию такого компьютера - целевые магнитные волны, которые генерируются и разделяются на пластинах микрометрового размера. Заглядывая в будущее, это может означать, что задачи оптимизации и распознавания изображения могут выполняться быстрее и с меньшим энергопотреблением. Исследователи представили результаты своей работа в журнале Physical Review Letters.
Команда основывала свои исследования на крошечном диске из магнитного материала на основе железо-никелевого сплава диаметром всего несколько микрометров. Вокруг этого диска помещено золотое кольцо: когда через него протекает переменный ток в диапазоне гигагерц, он излучает микроволны, которые возбуждают так называемые спиновые волны в диске.
«Электроны в железо-никеле демонстрируют вращение, своего рода кружение на месте, похожее на волчок», - объясняет Хельмут Шультайс, глава группы в HZDR. «Мы используем микроволновые импульсы, чтобы немного сбить верхнюю часть электронов». Затем электроны передают это возмущение своим соседям, что заставляет спиновую волну пробиваться 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 группа Шультайса обнаружила 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», - объясняет коллега Шультайса Лукас Кёрбер. «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.
Приманка для микроволн
Долгое время ученым не удавалось точно контролировать деление спиновой волны.
Кёрбер объясняет почему: «Когда мы отправили микроволны на диск, была задержка во времени, прежде чем спиновая волна разделялась на две новые волны. Это было трудно контролировать».
Тогда, команде пришлось придумать способ решения проблемы, который они описали в Physical Review Letters. Помимо золотого кольца, рядом с магнитной пластиной 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», - поясняет Кёрбер. «Это означает, что теперь мы можем запустить процесс и контролировать временную задержку».
Это также означает, что пластины со спиновой волной подходят для искусственных аппаратных нейронов - они работают аналогично нервным клеткам в головном мозге и могут управляться напрямую.
«Следующее, что мы хотим сделать, это построить небольшую сеть с нашими нейронами спиновых волн», - объявляет Хельмут Шультайс. «Эта нейроморфная сеть должна выполнять простые задачи, такие как распознавание простых шаблонов».
Распознавание лиц и оптимизация дорожного трафика - одни из основных применений ИИ. Например, распознавание лиц на смартфоне избавляет от необходимости вводить пароль. Для того, чтобы это работало, нейронная сеть должна быть заранее обучена, 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.
Что касается нейроморфного компьютера, то может справляться с подобными ситуациями. В отличие от обычных микросхем, 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», - восторженно отзывается Шультайс.
Помимо распознавания изображений, компьютер нового типа может оказаться полезным и в другой экономически значимой области, такой как оптимизация высокоточных планировщиков маршрутов на смартфонах.
Если понравилась статься, подпишись на наш канал и социальные сети. Ставь палец вверх - нам будет приятно, да и вам плюсик к карме :)
Возможно вам будет также интересно: