Обнаруженный учеными ЛЭТИ эффект позволит создавать компактные, быстродействующие и энергоэффективные вычислительные системы на новых физических принципах. В качестве научной основы для создания нового поколения вычислительных устройств выступает магноника.
Магия магноники
Магноника изучает свойства спиновых волн и их квантов «магнонов», которые существуют в магнитных материалах и могут использоваться в качестве носителей информации, то есть в качестве альтернативы уже хорошо известным электронам и фотонам. Сравнительно недавно учеными было показано, что с помощью магнонов можно вести обработку информации с высокой скоростью и низкими энергопотерями в сравнении с полупроводниковыми элементами, из которых построены наиболее распространенные электронные вычислительные устройства.
Сегодня крайне актуальным становится техническая реализация устройств искусственного интеллекта. Целый ряд экспериментов, выполненных учеными из разных стран, демонстрирует высокий потенциал использования свойств магнонов для создания будущих устройств обработки информации, что обещает сделать их более компактными, надежными и эффективными. Однако для создания магнонных компьютеров – вычислительных устройств, в основе работы которых лежат принципы искусственного интеллекта, требуется разработка эффективной методологии их проектирования, соответствующей компонентной базы, математических моделей, а также программного обеспечения.
В лаборатории магноники и радиофотоники ЛЭТИ
Благодаря применению принципов магноники, исследователям ЛЭТИ удалось показать, что с помощью одного СВЧ-сигнала можно управлять характеристиками другого передающего информацию сигнала.
«Мы научились управлять одной из характеристик потока магнонов с помощью другого потока магнонов. Этот принцип работы базируется на эффекте наведенного нелинейного сдвига фазы волн и является достаточно простым и эффективным решением для изменения параметров высокочастотного сигнала, передающего информацию», – руководитель лаборатории магноники и радиофотоники, профессор кафедры ФЭТ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Алексей Борисович Устинов.
По словам ученого, наведенный нелинейный сдвиг позволяет управлять фазой – это одна из характеристик, с помощью которой можно модулировать сигнал в системах передачи и обработки данных. Эффект был продемонстрирован в лабораторных условиях на одномерном магнонном кристалле, изготовленном из пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ), широко распространенного магнитного материала.
На основе собранных данных была составлена математическая модель, которая показывает, каким образом действует наведенный нелинейный сдвиг фазы. Результаты работы опубликованы в научном журнале Applied Physics Letters.
Применение – от построения нейронных сетей до разработки резервуарных компьютеров
«По сути, продемонстрированный нами эффект можно использовать для создания компактных фазовращателей на принципах магноники. В перспективе такие элементы могут найти применение при построении искусственных нейронных сетей, вычислительных устройств, а также при разработке физических резервуарных компьютеров», – руководитель лаборатории магноники и радиофотоники, профессор кафедры ФЭТ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Алексей Борисович Устинов
Разработка методологии, компонентной базы и прототипов устройств на новых физических принципах в ЛЭТИ проводится в лаборатории магноники и радиофотоники им. Б.А. Калиникоса, которая была создана в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в 2021 году в рамках мегагранта Правительства Российской Федерации. Ранее в рамках этой работы сотрудники лаборатории разработали на основе пленки ЖИГ нелинейный фазовращатель, действующий на принципах магноники.