В ЛЭТИ создали прототип резервуарного компьютера для аппаратных нейроморфных вычислений на принципах магноники

Системы искусственного интеллекта (ИИ) и нейросети активно внедряются в различные сферы жизни человека, позволяя автоматизировать работу информационных систем на предприятиях. При этом большая часть современных систем ИИ представляет собой программные решения, функционирующие за счёт использования традиционных электронных компьютеров. От увеличения количественных параметров вычислительных мощностей и объёма памяти зависят возможности для повышения точности и скорости обработки информации с помощью программных ИИ‑систем. Это означает увеличение стоимости, габаритов и энергопотребления аппаратной части системы. Для уменьшения всего этого научная группа из СПбГЭТУ «ЛЭТИ» решила заняться разработками вычислительных устройств для ИИ на новых физических принципах. Одной из перспективных сфер для создания аппаратной нейросети учёные называет магнонику.

Магноника — это научное направление изучает свойства спиновых волн и их квантов магнонов, существующих в магнитных плёнках и используемых как носители информации в новых вычислительных устройствах (резервуарных компьютерах).

Алексей Устинов

Профессор кафедры физической электроники и технологии СПбГЭТУ «ЛЭТИ», заведующий лаборатории магноники и радиофотоники им. Б.А. Калиникоса

«Сравнительно недавно учёными, 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 петлей обратной связи. Это аппаратный аналог нейросети, который обладает тем же функционалом, что и обычные программные нейронные сети».

Ранее учёные ЛЭТИ в составе научной группы успешно разработали прототип резервуарного компьютера, состоящего из плёночной линии задержки, электронного аттенюатора и СВЧ‑усилителя в петле обратной связи. Полученное устройство было способно производить нейроморфные вычисления, например распознавать объекты, измерять температуру.

В новом исследовании специалисты рассказали об усовершенствовании системы управления информационным сигналом, поступающим в резервуар. Для этого на определенный участок магнитной плёнки подавался электрический ток, локально меняющий изначально однородное поле подмагничивания. Тем самым регулировалась амплитуда информационного сигнала, обрабатываемого резервуаром. Этот способ позволил напрямую передавать в резервуар битовые сигналы (например, локальное подведение тока «1» и его отсутствие «0»). Озвученное решение позволило отказаться от электронного аттенюатора для управления амплитудой сигнала, используемого в предыдущей версии резервуарного компьютера. Это сделало прототип более компактным. Также эксперименты показали, что для обеспечения предложенного метода работы компьютера потребовалось примерно на порядок меньше энергии в сравнении с аттенюатором.