http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=a01e8da5-b02e-4d74-896d-1e44a72e3b6d&print=1© 2024 Российская академия наук
— Иногда эволюционные биологи начинают рассуждать: что было бы, если бы динозавры не вымерли? Наверное, они бы сейчас стали разумными существами, построили дома, запустили бы ракету в космос. То есть мы были бы динозаврами, но выглядели бы совсем по-другому. Однако они вымерли, а мы стали высокоразвитыми существами. С компьютерами то же самое? «Иные» компьютеры уже невозможны?
— В ближайшее время, наверное, невозможны. Эра современных компьютеров началась с 1947 года, когда был создан первый полупроводниковый (биполярный) транзистор, а в дальнейшем все силы и производственные мощности были направлены в область кремниевой интегральной электроники. Сейчас у промышленности интерес отходить от кремниевых технологий небольшой, потому что слишком большие деньги вложены в эту отрасль, и все вроде бы работает. Но увеличение объема обрабатываемой и передаваемой информации заставляет искать параллельные пути. Сейчас это целый ряд направлений, в том числе и магноника. Мы думаем, что в отдельных задачах эта новая ветвь развития компьютерной техники может быть успешной и дополнить существующие в настоящее время компьютерные технологии.
— Что такое магноны?
— Магнон — это квазичастица, соответствующая волне намагниченности, также называемой спиновой волной, которая распространяется в ферромагнитной среде.
— Что это за среда?
— Это вещества, в которых содержатся химические элементы, обладающие ферромагнитными свойствами, — железо, никель. Термин «ферромагнетик» еще в 19 веке ввел Пьер Кюри. Было показано, что такие среды обладают спонтанной намагниченностью, то есть в этой среде есть преимущественное направление вектора намагниченности. В ферромагнитной среде, помещенной во внешнее магнитное поле, вектор всегда направлен в одну сторону. Если мы воздействуем на такую среду переменным электромагнитным полем, вектор намагниченности отклоняется от направления ориентации, а возвращаясь назад, начинает колебаться, прецессировать вокруг этого направления. При этом колеблется не только один магнитный момент какого-то узла кристаллической решетки, а они взаимодействуют друг с другом, и возникает волновой процесс, колебание этого вектора намагниченности. Это и называется спиновой волной или магноном.
— Вы сказали, что вектор направлен все время в одну сторону. В какую?
— По полю внешнего подмагничивания. Если ферромагнетик помещен между магнитами, все магнитные моменты ориентируются в одном направлении по внешнему полю.
Александр Семенов
— Можно ли это объяснить на примере компаса?
— В компасе есть железная стрелка, которая ориентируется вдоль линии магнитного поля Земли. По идее, там присутствует тот же эффект. Если вы быстро пронесете магнит рядом со стрелкой, она у вас сначала отклонится, потом вернется на место, и не сразу, а сначала задрожит. Это, грубо говоря, аналог. Допустим, у вас десяток таких стрелок — если одна стрелка закачалась, по цепочке закачаются и другие стрелки.
— Этот же эффект можно наблюдать на микроуровне в ферромагнитной среде?
— Да, так устроена природа. В ферромагнитной среде начинают колебаться вектора намагниченности, и бежит волна. Если есть электромагнитный импульс, бит — логическая единица, — то в такой среде сформировался волновой процесс — побежала волна (магнон). Пришел следующий бит — снова побежала такая волна, но в этой среде уже существует предыдущая, и они начинают между собой нелинейно взаимодействовать.
Отдельные магноны — это нейроны, а нелинейная ферромагнитная среда — это синапс, который обеспечивает нелинейное взаимодействие между этими отдельными нейронами.
— Вы сейчас говорите языком нейросетей. Почему?
— Потому что мы и создаем физическую нейросеть. Но для ее функционирования нам нужен физический резервуар — некая коробочка с ферромагнитной средой.
— В обычном компьютере ничего подобного нет совсем?
— Да, обычный компьютер работает на основе двухбитной логики. А
в нашем случае процесс получается скорее аналоговым, а не цифровым.
— При этом этот аналоговый процесс дает возможность делать вычисления быстрее?
— В настоящее время мы проводим исследования, связанные с определением максимальной емкости резервуара и достижимой скорости анализа. Но в литературе сейчас можно встретить работы, где взаимодействуют сотни и тысячи нейронов в ферромагнитной среде.
— Обычная нейросеть — это компьютерная программа, работающая на любом ПК. Для чего создавать новое устройство?
— Для того, чтобы решить задачу быстрее, с малыми затратами электроэнергии и вычислительных ресурсов классического компьютера.
Наш резервуарный компьютер работает как некая система подготовки сигнала, и все нелинейные преобразования выполняет внутри себя на физическом уровне. В итоге это снижает энергозатраты, поскольку уже сигнал подготовлен и доведен до линейной разрешимости. То есть резервуарный компьютер можно использовать как приставку к существующей системе, которая ускорит решение задачи и понизит энергозатраты.
— А если убрать резервуар, то взаимодействие между нейронами будет только линейным?
— Нет. В обычной программно реализованной нейросети n-ое количество сигналов, битов нелинейно связаны между собой сложными математическими функциями, определяющими то, как эти биты между собой будут взаимодействовать. Они проходят через эту систему, обрабатываются, проводится какой-то сложный пересчет, и на выходе получается результат.
В резервуарном компьютере сигнал, который вы хотите распознавать, поступает в специальную спин-волновую активную кольцевую структуру. Вы завели один бит, он сформировал импульс. Завели второй — он сформировал следующий импульс, который провзаимодействовал с первым, и вот так в этом кольце крутится последовательность импульсов вашего сигнала. Они взаимодействуют между собой, и на выходе вы получаете уже нелинейно обработанный сигнал. Причем все это происходит за микросекунды.
Как в человеческом мозге — в черепную коробку поступают некие сигналы, там они взаимодействуют, и рождается мысль – вывод. Например, человек видит собаку, и он не задумывается, не пытается сопоставить какие-то явные признаки, а просто выдает ответ. Точно так же нейросеть на основе физического резервуара.
— Мы же не знаем, что происходит в человеческом мозге. Может быть, он и пытается сопоставить признаки?
— Во всяком случае, он это делает на такой скорости, что человек не воспринимает все промежуточные операции.
— Вы начали заниматься компьютерами на магнонах, потому что обычные нейросети зашли в тупик?
— Нет, пока не зашли. Эти сети вполне успешно развиваются, и для определенных задач программно реализованные нейросети вполне хорошо могут использоваться. Просто
наше направление может дать существенное продвижение в этой области.
Поскольку мы создали физическое устройство, мы можем делать, допустим, умный датчик, который просто обработает сигнал сам, без использования микроконтроллера, без использования компьютера. Это очень перспективное направление. Например, сегодня автомобиль напичкан датчиками. Чтобы не тянуть линии, стали ставить процессор на каждый отдельный датчик: на стеклоподъемник — свой, на фары — свои датчики, на дверь – свои. А тут мы можем без микроконтроллера сделать сразу умный датчик, чтобы он выдавал уже окончательно подготовленный к дальнейшей обработке сигнал.
— Почему бы не поставить лишний процессор в систему? Они же бывают просто микроскопическими?
— Чем больше в системе таких микроконтроллеров — по сути, процессоров, — тем она менее надежна. К тому же сейчас наблюдается острая нехватка таких микросхем в связи с мировыми проблемами микроэлектронного производства. Они сложны в изготовлении, имеют слабую помехозащищенность и потребляют достаточно много энергии на обработку сигнала. В автомобиле это не так принципиально, поскольку там двигатель является энергоустановкой и может обеспечить энергией все микроконтроллеры. А вот если это летающий беспилотник, у которого нет неограниченного запаса энергии, снижение потребляемой электроэнергии уже становится принципиальным моментом.
— Где еще такие датчики будут необходимы?
— Сейчас в связи с развитием проектов интернета вещей, умных сред (дом, город) любое устройство должно быть «умным» — то есть обладать своими датчиками и средствами обработки сигналов. Поэтому наш прибор может быть задействован практически в любом бытовом или промышленном устройстве.
— Что у вас готово на данный момент?
— Опытный образец. Это не в полной мере прототип, который оформлен как конечное изделие. Мы создали образец и на нем исследуем все физические процессы, делаем первые эксперименты по распознаванию речи. Речь — самое простое, с чего начинают все, кто работает в области нейросетей. Если система умеет отличать разные слова, значит, уже работает. Наше устройство с вероятностью 80% правильно понимает слова. — Как выглядит этот образец? Это большое устройство?
— Сейчас это большое устройство. На оптическом столе собранное активное кольцо, в котором есть намагниченная ферромагнитная среда, где бегают магноны, и все внешние устройства — усилители сигнала, модуляторы, через которые заводится наш полезный распознаваемый сигнал. Но мы знаем, как это можно миниатюризировать.
— Какой у вас план по развитию проекта?
— В следующем году у нас стоит задача сделать прототип умного датчика, показать, как это работает, чтобы заинтересовать промышленность, показать возможность прикладных применений такого устройства.
— Уже понятно, что будут детектировать первые в России датчики на магнонах?
— То, что лежит на поверхности — это может быть датчик температуры или датчик угловых перемещений, акселерометр или гироскоп — это интересно для применения в беспилотниках. Сам датчик без компьютера будет в зависимости от обрабатываемого сигнала формировать отклик для управляющих элементов, допустим, для винтов беспилотника, для стабилизации полета. Отклик в такой системе должен быть очень быстрым для стабилизации БПЛА в полете, например при сильных порывах ветра.
Справка
Два года назад СПбГЭТУ «ЛЭТИ» выиграл в конкурсе мегагрантов на создание лаборатории мирового уровня. Проект «Резервуарные компьютеры на принципах магноники как новое направление искусственных нейронных сетей» выполняется в лаборатории «Магноники и радиофотоники им. Б.А. Калиникоса», на кафедре физической электроники и технологии. Участвуют заведующий кафедрой физической электроники и технологии Александр Семенов; руководитель лаборатории профессор Алексей Устинов; ключевые сотрудники, задействованные в выполнении проекта, доценты кафедры Андрей Никитин и Александр Кондрашов.