Cercetătorii dezvoltă componente pentru computerul neuromorf

Punctele de trecere a creierului sunt simulate cu unde magnetice, care sunt generate și separate în mod specific folosind procese neliniare în cadrul micilor discuri vortex microscopice. Credit: HZDR / Sahneweiß / H. Schultheiß

Rețelele neuronale sunt unele dintre cele mai importante instrumente în inteligența artificială (AI): ele imită funcționarea creierului uman și pot recunoaște în mod fiabil texte, limbi și imagini, pentru a numi doar câteva. Până în prezent, aceștia operează pe procesoare tradiționale sub formă de software adaptiv, dar experții lucrează la un concept alternativ, „computerul neuromorf”. În acest caz, punctele de trecere ale creierului – neuronii – nu sunt simulate de software, ci sunt reconstruite în componentele dispozitivului. O echipă de cercetători la Centrul Helmholtz Dresda-Rossendorf (HZDR) a demonstrat acum o nouă abordare a acestor dispozitive – unde magnetice vizate generate și distribuite în mase de dimensiuni micrometrice. Privind spre viitor, acest lucru poate însemna că sarcinile de optimizare și recunoașterea modelului pot fi finalizate mai repede și cu mai multă energie. Cercetătorii și-au prezentat concluziile în jurnal Scrisori de recenzie fizică.

Echipa și-a bazat investigațiile pe un mic disc de material magnetic nichel-fier, cu o lățime de doar câțiva micrometri. Un inel de aur este plasat în jurul acestui disc: Când un curent alternativ din gama de gigaherți curge prin el, acesta emite microunde care excită așa-numitele unde de rotație din disc. „Electronii din nichel de fier prezintă o învârtire, un fel de învârtire la locul său, mai degrabă ca un vârf rotativ”, explică Helmut Schultheiß, șeful Grupului Magnonics Emmy Noether la HZDR. “Folosim impulsuri cu microunde pentru a arunca vârful electronului ușor din flux.” Electronii transmit apoi această preocupare vecinilor respectivi – ceea ce face ca o undă de rotire să treacă prin material. Informațiile pot fi transportate foarte eficient în acest fel, fără a fi nevoie să mișcați electronii înșiși, ceea ce se întâmplă în cipurile de computer de astăzi.

În 2019, grupul Schultheiß a descoperit ceva remarcabil: în anumite circumstanțe, unda de rotație generată în vortexul magnetic poate fi împărțită în două unde, fiecare cu o frecvență redusă. „Așa-numitele efecte neliniare sunt responsabile pentru acest lucru”, explică colegul lui Schultheiß, Lukas Körber. „Sunt activate numai atunci când puterea radiată a cuptorului cu microunde depășește un anumit prag.” Un astfel de comportament sugerează că undele care se rotesc sunt candidați promițători pentru neuronii artificiali, deoarece există o paralelă uimitoare cu funcția creierului: acești neuroni trag, de asemenea, numai atunci când un anumit prag de stimul este depășit.

Mică cu microunde

La început, însă, oamenii de știință nu au reușit să controleze separarea undelor de rotație foarte precis. Körber explică de ce: „Când am trimis cuptorul cu microunde pe disc, a existat o întârziere înainte ca unda de rotație să se împartă în două unde noi. „Și asta a fost greu de controlat”. Deci, echipa a trebuit să se gândească la o modalitate de a rezolva problema, pe care au descris-o acum în Physical Review Letters: Pe lângă inelul de aur, lângă masa magnetică este atașată o mică bandă magnetică. Un semnal scurt de microunde generează o undă rotativă în această bandă care poate interacționa cu unda rotativă din napolitane și poate acționa astfel ca un fel de farsă. Unda de rotație din bandă face ca unda din napolitane să se despartă mai repede. „Un semnal extra scurt este suficient pentru a face divizarea mai rapidă”, explică Körber. „Asta înseamnă că putem începe acum procesul și putem controla întârzierea în timp”.

Ceea ce înseamnă, de asemenea, că, în principiu, s-a dovedit că masele de unde de spin sunt potrivite pentru neuronii dispozitivelor artificiale – acestea trec în mod similar cu celulele nervoase din creier și pot fi controlate direct. „Următorul lucru pe care vrem să-l facem este să construim o mică rețea cu neuronii noștri cu unde de rotație”, relatează Helmut Schultheiß. „Această rețea neuromorfă trebuie să îndeplinească sarcini simple, cum ar fi recunoașterea tiparelor directe.”

Recunoașterea feței și optimizarea traficului

Cunoașterea modelului este una dintre principalele aplicații ale AI. Recunoașterea feței pe un smartphone, de exemplu, evită necesitatea unei parole. Pentru a funcționa, o rețea neuronală trebuie instruită în prealabil, care include o mare cantitate de putere de calcul și cantități masive de date. Producătorii de smartphone-uri transferă această rețea pe un cip special care este apoi integrat în receptor. Dar cipul are o slăbiciune. Nu este adaptiv, deci nu poate recunoaște fețele care poartă o mască Covid, de exemplu.

Pe de altă parte, un computer neuromorf poate face față și situațiilor de acest fel: spre deosebire de cipurile convenționale, componentele sale nu sunt bine conectate, dar funcționează ca celule nervoase din creier. „Din această cauză, un computer neuromorf poate procesa volume mari de date în același timp, la fel ca un om – și cu multă energie eficient”, excită Schultheiß. În plus față de recunoașterea modelelor, noul tip de computer se poate dovedi util într-un alt domeniu important din punct de vedere economic: pentru sarcini de optimizare, cum ar fi planificatorii de stradă de înaltă precizie pentru smartphone-uri.

Referințe:

„Stimularea non-locală a separării cu trei magone într-un vortex magnetic” de L. Körber, K. Schultheiss, T. Hula, R. Verba, J. Fassbender, A. Kákay și H. Schultheiss, 12 noiembrie 2020 Scrisori de recenzie fizică.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.207203

„Stimularea Magnonilor Galeriei Șoapte în Vortex Magnetic” de K. Schultheiss, R. Verba, F. Wehrmann, K. Wagner, L. Körber, T. Hula, T. Hache, A. Kákay, AA Awad, V. Tiberkevich, AN Slavin, J. Fassbender și H. Schultheiss, 5 martie 2019, Scrisori de recenzie fizică.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.122.097202

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Apneea obstructivă în somn este frecventă la persoanele cu tulburări cognitive – este tratabilă

O tulburare de somn tratabilă în mod obișnuit la persoanele cu probleme de gândire și memorie. Apnee obstructivă în somn - respirația se oprește de...

Oamenii de știință dezvăluie cheia creșterii musculare adecvate

Analiza imunofluorescenței unui grup de celule stem proliferante asociate cu fibre musculare (gri). Celulele stem produc Dll1 (roșu) și MyoD (verde). Două...

ExoMars Orbiter surprinde fermitatea la locul de aterizare al craterului Mars Jezero

ESA-Roscosmos Trace Gas Orbiter a observat vehiculul NASA Perseverance Mars 2020, împreună cu o parașută și o carapace spate, un scut termic și o...

Reglarea cuantică în grafen avansează era comunicațiilor fără fir Terahertz de mare viteză

Tunelare cuantică. Credit: Daria Sokol / Biroul de presă MIPT Oamenii de știință de la MIPT, Universitatea Pedagogică de Stat din Moscova și Universitatea...

Utilizarea moleculelor vibrante pentru a investiga proprietățile undelor materiei

Ionii moleculari HD + (perechi de puncte galbene și roșii) într-o capcană de ioni (gri) sunt iradiați de o undă laser (roșu). Acest...

Newsletter

Subscribe to stay updated.