Иллюстрация: Karin Everschor-Sitte and Matthias Sitte / Store norske lexikon. Физики из совершили прорыв в области вычислительных технологий, создав вычислитель, работающий на основе магнитных квазичастиц по принципу нейронной сети. В этой весьма революционной системе значение всех основных логических операций определяется положением квазичастицы во всей структуре устройства. Ключевым преимуществом созданного вычислителя является его высокая энергоэффективность. Для его работы требуется меньше электроэнергии, чем для традиционных цифровых компьютеров. Это открывает возможности для создания более компактных и мобильных устройств с низким энергопотреблением. Более того, ученые отмечают потенциал данной архитектуры для имитации работы человеческого мозга. Резервуарные вычисления, на которых основан новый вычислитель, предполагают передачу входных данных в “резервуар”, где происходят вычисления, а результаты затем передаются на выход и обрабатываются.
Эта структура напоминает работу нейронных сетей в мозге, что может привести к созданию более мощных и гибких систем искусственного интеллекта. Публикация результатов исследования в авторитетном журнале Nature Communications подчеркивает значимость данного открытия. Дальнейшие исследования и усовершенствования могут привести к созданию вычислителей нового поколения, способных решать сложные задачи с небывалой скоростью и эффективностью.
Резервуар может быть как математической, так и физической системой, например, это могут быть нейроны, сложно, в том числе рекуррентно, связанные между собой, или волны на поверхности жидкости. В любом случае существует строгое соответствие между входным сигналом и выходным в зависимости от того, какое вычисление производилось. Задача исследователя — декодировать выходные данные. Преимущества такой архитектуры — быстрая обучаемость и низкое энергопотребление, поскольку взаимодействие элементов внутри резервуара заранее определено, а в случае физических систем происходит частично за счет внутренней энергии системы.
В качестве такой системы можно использовать скирмионы — вихри магнитного поля, ведущие себя как квазичастицы. Ученые умеют управлять движением скирмионов с помощью электрического тока, однако строго детерминированный подход энергозатратен и имеет ряд ограничений, если скирмионы применять в вычислительном устройстве. В частности, необходимо делать сброс скирмиона после вычисления.
Физики из Майнцского университета и университета Неймегена под руководством Йоханна Ментинка (Johan H. Mentink) и Матиаса Клауи (Mathias Kläui) предложили новый подход для применения скирмионов в резервуарных вычислениях. Ученые создали устройство, которое сочетает броуновское тепловое движение скирмионов и управляемое движение под действием тока. Устройство выполняет бинарные логические операции.
Скирмион создавался импульсом магнитного поля на тонкой пленке, образованной из слоев тантала, оксида марганца и соединений кобальта, железа, бора. Пленка имела форму равностороннего треугольник, на вершинах которого находились электрические контакты. Когда на контакты подавалось напряжение, скирмион под действием тепловой диффузии перемещался в сторону положительного напряжения. При этом для возбуждения направленного движения требовалась плотность тока на 4 порядка ниже, чем в предыдущих исследованиях. Это позволяет достичь значительной экономии электроэнергии.
Схема экспериментальной установки. На концах треугольной магнитной пленки находятся три элеткрических контакта. По пленке перемещается скирмион (серый кружок) в зависимости от напряжения на контактах.
Klaus Raab et al. / Nature Communications
На верхней части рисунка изображено положение скирмиона в зависимости от напряжений на контактах. На крайнем правом рисунке белые окружности обозначают 4 положения, в которых предпочитает находиться скирмион. На нижнем рисунке показана зависимость значения функции линейной регрессии от положения скирмиона и соответствующих значений битов. Левый рисунок соответствует логическому «И», правый — «И-НЕ».
Klaus Raab et al. / Nature Communications
Роль битов в работе выполняли контакты, а положения скирмионов на пленке — соответствовали их значениям. Для выполнения двухбитовых операций верхний всегда контакт был заземлен. Когда напряжение подавалось на контакт — его значение равнялось 1, иначе— 0. В зависимости от комбинации напряжений скирмион перемещался в определенное место на пленке. Например, если на правый угол подавалось положительное напряжение, а на левый не подавалось, скирмион смещался в сторону правого угла, и его позиция соответствовала двухбитовому значению 01. Аналогично и три оставшихся положения: в центре — 00, в левом углу — 10, снизу по центру — 11.
Чтобы сопоставить выходной сигнал бинарным логическим операциям, ученые применили линейную регрессию. В качестве переменных физики использовали вероятности четырех положений скирмиона в зависимости от напряжений на контактах. Подбирая различные веса вероятностей, физики реализовали логические операции «И», «ИЛИ» «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ», исключающее «ИЛИ». Для обучения ученые использовали четыре набора наблюдений за положением скирмионов и еще 9 наборов для тестирования. В качестве оценки модели физики применили отношение сигнала к шуму, которое оказалось более 5, что подтвердило правильность модели.
Также ученые реализовали и трехбитные логические операции, когда напряжение подавалось на все вершины треугольника. Физики отмечают, что увеличивая число скирмионов, входных сигналов и меняя геометрию устройства, можно решать сложные нелинейные задачи.
Используя диффузию, ученые смогли решить проблему сброса и автоинициализации скирмиона, а также показали энергоэффективность такого подхода. Потенциально скирмионы можно применять не только для уменьшения потребления электроэнергии при обработке и хранении данных, но и для создания нейроморфных вычислительных машин, имитирующих работу мозга.
Скирмионы также бывают устойчивыми без магнитного поля, а значит, их можно использовать не только для вычислений, но и для хранения информации, а наблюдаемые трехмерные скирмионы можно применять в нанофотонике.
Автор: Илья Бения
Источник: https://nplus1.ru/
