Ученые из ЛЭТИ разработали прототип физического резервуарного компьютера для аппаратных нейроморфных вычислений, основанный на принципах магноники.
Только я дописал разбор конфигурации Hala Point, как вышла новость, что в ЛЭТИ (в Санкт-Петербургском электротехническом университете) сделали собственный прототип нейроморфного компьютера. То есть к действующим и разрабатываемым нейроморфным компьютерам можно добавить ещё один, отечественного производства. Новость быстро распространилась по специализированным сайтам и даже попала в информационную ленту ТАСС.
Было понятно, что сделано что-то удивительное и уникальное, но большинство новостей содержало общие слова о нейросетях и немного переделанные куски из оригинальной новости на сайте института[1]. Ещё один вариант хорошего изложения появился на inScience[2]. Эти две статьи помогли мне понять, что делает эта небольшая коробочка на фото, и как она связана с нейроморфными компьютерами. Аннотация к научной статье «A current-controlled magnonic reservoir for physical reservoir computing», вышедшей в журнале «Applied Physical Letters» ещё в январе, объяснила, что внутри коробочки. Кроме того, в журнале можно найти и другие статьи по магнонике[5] от того же коллектива авторов.
Если верить Википедии (ну не буду же я делать вид, будто я это сам всё знал), магнон — это квазичастица, коллективное возбуждение спиновой структуры электронов в кристаллической решетке. То есть в реальности его как бы нет. В эквивалентной волновой картине квантовой механики магнон можно рассматривать как квантованную спиновую волну. Магноны обладают фиксированным количеством энергии и импульса решетки и подчиняются бозонной статистике. То есть можно считать, что они как бы есть. Следовательно, с их помощью можно переносить информацию.
Магноника развивается уже 90 лет (хотя активное изучение магнонов и их применение в вычислительной технике началось позже), так что заголовки некоторых новостей о «новом физическом принципе» несколько преувеличены. В списках литературы к научным статьям в APL имеются ссылки как на недавно вышедшие статьи, так и на источники 1961 года.
В ЛЭТИ в 2021 году была создана Лаборатория магноники и радиофотоники им. Б.А.Калиникоса[6], которой руководит Алексей Устинов.
«Магноника изучает свойства спиновых волн и их квантов магнонов, которые существуют в магнитных пленках и могут использоваться как носители информации в новых вычислительных устройствах — резервуарных компьютерах» — из статьи[1] на сайте ЛЭТИ.
Сам по себе «резервуарный компьютер» — это «система вычислений, основанная на теории рекуррентных нейронных сетей, которая отображает входные сигналы в высокоразмерное пространство». С точки зрения программиста — база данных из неких значений, разбросанных по неким координатам. С точки зрения физика — поле. Складывается из «резервуара» для отображения входных данных и «считывающего устройства» для анализа образцов из высокоразмерных состояний в резервуаре. С точки зрения программиста — база и запросы по каждому набору координат, с точки зрения физика — поле и измеритель, умеющий считывать состояние поля в каждой точке. Эта система использует динамические свойства резервуара для обработки информации, что делает ее подходящей для задач, связанных с временными рядами, классификацией и предсказанием. То есть для задач, с которыми хорошо справляются нейроморфные компьютеры.
Физический резервуарный компьютер может быть реализован с использованием свойств физических систем из реального мира. Жидкости, газы или, как в случае с ЛЭТИ, магноны. Резервуаром работает YIG, «тонкая пленка железо-иттриевого граната», а считывающее устройство использует «эффект рассеяния обратных объемных спиновых волн на сильно локализованном поле Эрстеда постоянного тока, протекающего через металлическую полоску, расположенную поверх пленки», чем бы это ни было (в кавычках процитирована аннотация, а для объяснения, как это работает, надо понять саму научную статью, на которую я ссылался выше).
Высокая производительность и низкое энергопотребление получается за счёт того, что это аналоговый компьютер. Т.е. вычисления происходят с той скоростью, с какой работают используемые законы физики.
«Сравнительно недавно учеными, в том числе и нами, было показано, что с помощью магнонов можно решать задачи распознавания и классификации с высокой скоростью и низким энергопотреблением в сравнении с транзисторными вычислительными устройствами. Магнонный физический резервуар представляет собой спин-волновую линию задержки с петлёй обратной связи. Это аппаратный аналог нейросети, который обладает тем же функционалом, что и обычные программные нейронные сети», — слова профессора кафедры физической электроники и технологии СПбГЭТУ «ЛЭТИ», заведующего лабораторией магноники и радиофотоники им. Б.А. Калиникоса Алексея Борисовича Устинова.
Нынешний вариант — не первый, а один из череды прототипов, понемногу приближающихся к решению практических задач.
«Ранее ученые ЛЭТИ в составе научной группы успешно разработали прототип резервуарного компьютера, состоящего пленочной линии задержки, а также электронного аттенюатора и СВЧ усилителя в петле обратной связи. Полученное устройство было способно производить нейроморфные вычисления, например, распознавать объекты, измерять температуру.», — из статьи[1] на сайте ЛЭТИ.
Аттенюатор уменьшает амплитуду сигнала без значительного изменения его формы. Его использование могло быть необходимо, чтобы уровень сигнала, подаваемый в резервуар, соответствовал определенным рабочим параметрам системы.
Вариант из сегодняшних новостей имеет улучшенную систему управления информационным сигналом. На магнитную пленку подается электрический ток, изменяющий локальное поле подмагничивания. Это позволяет сразу регулировать амплитуду информационного сигнала, и напрямую передавать в резервуар биты информации без использования электронного аттенюатора. То есть делает компьютер компактнее и экономичнее.
«Наша разработка позволила упростить конструкцию резервуарного компьютера, сделать его более легким, компактным и энергоэффективным. За счет этих характеристик в будущем такие вычислительные устройства могут получить широкое распространение в технике, например, для снижения веса электронных систем беспилотных подводных, наземных и воздушных аппаратов», — сказал Алексей Устинов.
Что ещё интересного в аннотации?
«...предлагаемый управляемый током магнонный резервуар демонстрирует рекордно высокий объем кратковременной памяти — 5,53...».
Число 5,53 относится к способности системы сохранять информацию о предыдущих состояниях входных данных на короткий промежуток времени. Это важно для задач, в которых прошлые входные сигналы влияют на текущее состояние системы. Объём кратковременной памяти указывает на то, сколько предыдущих временных шагов система может «помнить» и использовать для обработки текущего входного сигнала. Физический смысл этого числа заключается в том, что оно отражает количество информации из прошлого, которое может быть учтено при вычислениях без значительной потери точности. Если тут речь идёт о том же самом параметре, что и в биологии, тогда это действительно впечатляет, потому что средний объём кратковременной памяти у человека равен 7, а у обезьян — 3 или 4.
Исследования продолжаются, и в следующей статье рассматривается уже численная модель, описывающая магнонный активный кольцевой генератор (MARO) на основе линии микроскопической задержки спиновых волн. Модель рассматривает возбуждение, распространение и прием магнитостатических поверхностных волн в железо-иттриевой пленке толщиной в 100 нм. Волны возбуждаются и принимаются микроскопическими копланарными антеннами, которые распределены по плёнке на расстоянии 56 мкм друг от друга.
То есть продвинулся уже не только процесс загрузки данных, но и процесс считывания. Остаётся только пожелать российским учёным дальнейших успехов в исследованиях.
Автор — Александр Виноградов (aka Commander Хэлл), для «XX2 ВЕКа».
Источники:
2. https://inscience.news/ru/article/russian-science/16085;
6. DOI:10.1063/5.0189542;
7. DOI:10.1063/5.0189542.
Вам также может быть интересно: