Человеческому мозгу достаточно 10-30 ватт для выполнения множества сложнейших функций, включая распознавания образов, а суперкомпьютер, решая подобные задачи, потребляет более мегаватта электроэнергии. Разница гигантская! А можно ли заставить компьютер работать по принципам мозга? Об исследованиях Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова (ИРЭ) РАН в области создания нейрокомпьютеров рассказывает д.ф.-м.н., профессор, ведущий научный сотрудник ИРЭ РАН Михаил Логунов.

Одним из перспективных направлений развития вычислительной техники считается создание нейрокомпьютеров, устройств обработки информации на основе принципов работы естественных нейронных систем. В настоящее время нейронные сети, которые лежат в основе большинства технологий под условным названием искусственного интеллекта, лишь моделируются программными средствами обычных компьютеров. Задача создания нейрокомпьютера – построение физического устройства, действующего по принципу нейронной сети. Сегодня во всем мире работают над проблемой элементной базы нейрокомпьютера, такой же эффективной и надежной, как кремниевые микросхемы для обычного компьютера.

«Можно насчитать более десятка способов реализации элементной базы нейрокомпьютеров, которые развиваются в мире, – говорит Михаил Логунов. – Но ни один из подходов пока не дал желаемого результата. На мой взгляд, тот подход, который развивается в ИРЭ РАН, может быть наиболее перспективным. Я говорю о спинтронике».

Спинтроника – это раздел квантовой электроники, занимающийся изучением спинового токопереноса. В отличие от устройств обычной электроники, энергию или информацию в спинтронных устройствах переносит не электрический ток, а ток спинов. Михаил Логунов перечислил преимущества такого подхода.

Энергоэффективность

«В некоторых странах уже больше 10% электроэнергии тратится на обеспечение работы устройств обработки информации – компьютеров, дата-центров, различных гаджетов, – говорит Михаил Логунов. – При сохранении нынешней тенденции получается, что к 2035 году вся вырабатываемая электроэнергия может пойти на питание таких устройств».

В традиционной электронике информация передается с помощью электронов. Но электрон – это частица, у которой есть масса и заряд. И чтобы эту частицу переместить, нужна энергия. Она маленькая, но и электронов много. В результате процессоры нагреваются до 100°С и выше, а это значит, что много энергии тратится в холостую. Идея спинтроники состоит в том, чтобы электроны оставались на месте, а передавалось их состояние. Электрон, условно говоря, вращается, как волчок, и состояние этого вращения, которое называется спином, может передаваться соседним электронам. Такая передача происходит почти без затрат энергии.

Энергия, необходимая для переключения спинтронного наноэлемента, может составлять единицы аттоджоулей на одну операцию (аттоджоуль равен 10^-18 Дж), а, по некоторым оценкам, может быть и доли аттоджоуля. Это на несколько порядков меньше, чем в кремниевых системах.

Проблема в том, как эти спиновые состояния передавать. Это перемещение определяется таким понятием, как спиновая волна. Среды, в которых такая волна распространяется достаточно далеко, известны. Рекордсмен здесь – железо-иттриевый гранат, в котором такие колебания могут передаваться на десятки сантиметров, а для микросхемы это очень большое расстояние. Однако есть проблема: когда волна распространяется прямо – все нормально, но каждый ее поворот происходит с большими потерями энергии. Интенсивность волны падает в несколько раз. Два-три поворота – и волна затухла.

Рис. 1. Экспериментальные данные подтверждают затухание спиновой волны при повороте. Красный – это большая амплитуда волны, синий – ноль. Видно, что потери при повороте волны очень велики.

«Связано это затухание с тем, что спиновые волны распространяются с малыми потерями вдоль определенного направления относительно намагниченности среды, – рассказывает Михаил Логунов. – Если мы спиновую волну поворачиваем, то для снижения потерь нужно поворачивать и намагниченность. Для этого пытаются использовать, например, наномагниты, но они могут создавать помехи соседним элементам».

Для того, чтобы проводить спиновые волны, можно использовать так называемые доменные границы. Домен – это область с однородной намагниченностью. Простой пример такой области – жесткий диск, информация на котором записывается во множестве отдельных доменов, и спины всех электронов в домене с помощью магнитного поля выстраиваются в одном направлении.

Рис. 2. Примеры доменных структур с различной конфигурацией доменных границ.

Но жесткие диски потому и называются жесткими, что доменные границы в них переместить практически невозможно. А в магнитомягких материалах они легко перемещаются от внешнего воздействия. На базе такой мобильной наноструктуры можно формировать различные устройства. Например, создать память с плотностью записи гораздо большей, чем в жестких дисках. Но, кроме того, возможно использование доменных границ как волноводов для спиновых волн, поскольку внутри границы вектор намагниченности всегда примерно следует за ее изгибами.

 

Рис. 3. Доменная граница может служить волноводом для спиновых волн.

«Мы научились управлять доменными границами с помощью лазерных импульсов, – рассказывает Михаил Логунов. – Найдены условия, когда один импульс лазера может передвигать границу на заданное расстояние – от единиц до сотен нанометров. Пока никому в мире не удалось это повторить».

 

Рис. 3. В центре – материал с доменами, чьи свойства изменяются с помощью лазерного импульса с циркулярной поляризацией (зеленый). Для регистрации перемещения доменных границ используется дополнительный лазерный луч с линейной поляризацией (красный). Цвета соответствуют реальным свойствам: возбуждение проводится лазером на зеленом свете, а измерение – на красном. Методика проведения таких измерений с последующим анализом дифракционных картин позволяет добиться нанометровой точности.

Число нейронных связей

В мозге человека каждый нейрон может напрямую общаться с 10-20 тысячами других нейронов, а по последним данным, есть и так называемые объемные связи, которые осуществляются через химические процессы, где число контактов достигает нескольких миллионов. И хотя химические процессы идут медленно, доли секунды, но благодаря такому «распараллеливанию вычислений» результат получается почти мгновенно. При этом в существующих искусственных нейроморфных системах, как правило, один нейрон может иметь связи с десятками, максимум с сотнями других нейронов. И увеличить это число непросто. Например, из-за проблемы металлизации микросхем.

«Это одна из самых серьезных проблем современной микроэлектроники. – считает Михаил Логунов. – Представьте себе, что процессор – это дом определенной архитектуры, а транзисторы и диоды – его жильцы. Они занимают в этом доме один этаж, но, чтобы их соединить друг с другом металлическими проводами, на этом этаже места уже не хватает. Тогда провода тянут через второй этаж. Но второго этажа тоже мало, строится третий, четвертый, и сейчас число таких этажей доходит чуть ли не до 100. На первом этаже обитают жильцы, а остальные 99 этажей – для проводов, чтобы они могли общаться. В результате общая длина проводников в микросхеме процессора может доходить до 100 км, и это при размере микросхемы всего в 1 см».

Чтобы перемещать электроны на такие расстояния, опять же нужны огромные по меркам микроэлектроники энергозатраты. Именно на это, а не на работу транзисторов, расходуется большая часть энергии. А в спинтронике, где «общение» происходит перемещением не электронов, а их состояний, эту проблему решить можно. Например, с помощью использования описанных выше доменных границ в качестве волноводов для спиновых волн.

Но возникает еще одна трудность: во всем мире большинство экспериментаторов сейчас работают со спиновыми волнами, длина которых измеряется единицами или десятками микрон. Для микроэлектроники это слишком много.

«Хотя сейчас традиционно используется термин микроэлектроника, но, вообще говоря, почти все объекты в микросхемах имеют размеры намного меньше микрона, ряд компаний осваивают производство по технологии 3 нм, – поясняет Михаил Логунов. – Ширина доменных границ – единицы или десятки нанометров, что соответствует технологическим нормам современной микроэлектроники. Чтобы вдоль доменной границы распространялась спиновая волна, нужно, чтобы длина волны была меньше ширины доменной границы».

Аналогичная зависимость существует в оптике: оптоволокно имеет диаметр несколько микрон, а длина световой волны – порядка одного или полутора микрон, поэтому она может распространяться внутри волновода. Но генерация нанометровой спиновой волны – задача технически очень сложная. Перейти с микро в нано – это разница в тысячу раз.

«Нашим коллегам в Нидерландах, с которыми мы сотрудничаем в рамках этих исследований, несколько лет назад удалось с помощью воздействия лазерными импульсами возбудить когерентные колебания намагниченности с длиной волны всего 1 нм, – говорит Михаил Логунов. – Но это было сделано для антиферромагнетика, в котором работать с доменами проблематично».

Следовательно, надо попробовать возбудить высокочастотные спиновые колебания в материале с более подходящими магнитными свойствами. Над решением этой проблемы сейчас и работают сотрудники ИРЭ РАН, заодно решая задачу по реализации еще одного преимущества спинтроники.

Часть экспериментальной установки, на которой проводятся исследования в области спинтроники в ИРЭ РАН.

Быстродействие

В современных компьютерах, как правило, самые быстрые операции осуществляются за единицы наносекунд. Провести операцию быстрее практически невозможно – резко возрастает потребление энергии и микросхемы начинают перегреваться. Чтобы поднять производительность, делают процессоры с несколькими ядрами, которые распараллеливают вычисления. Но это не всегда эффективно.

«Если вы делаете два ядра, то вы почти в два раза повышаете производительность процессора, но если использовать четыре ядра, то производительность повышается не в четыре раза, а, условно говоря, только в три, и так далее, – поясняет Михаил Логунов. – На распределение задач между ядрами тоже нужны ресурсы».

Спинтроника может решить проблему эффективного увеличения быстродействия, причем не в разы, а на порядки, ведь для осуществления каких-то элементарных процессов в электронике нужно перемещение электронов, а в спинтронике они стоят на месте, «танцуют», и передача «фигур» этого танца может происходить гораздо быстрее.

«Современные процессоры работают на частоте в несколько гигагерц, и этот параметр уже 20 лет почти не изменяется, – утверждает ученый. – А наши коллеги из Нидерландов, которые, кстати, в этом деле лидеры, возбуждали спиновые волны частотой до 22 терагерц! На 4 порядка выше, чем тактовая частота современных процессоров. Это открывает фантастические перспективы».

В ИРЭ РАН также создана установка для изучения очень быстрых процессов – с ее помощью можно воздействовать на материал лазерными импульсами длительностью 20 фемтосекунд. Наносекунда – это показатель скорости процессоров в современной электронике, а 20 фемтосекунд – это в 50 тысяч раз быстрее.

«Нам удалось возбудить колебания спинов с частотой 200 ГГц в результате воздействия лазерным импульсом, – рассказывает Михаил Логунов. – Наши коллеги, как я говорил, добивались и большего, но в других материалах. Мы же работаем с ферритами – магнитными диэлектриками. По диэлектрику электроны не передвигаются, а для спинтроники это как раз то, что нужно. Спинтроника в идеале должна быть диэлектрической. Кроме того, ферриты отличаются большими возможностями по формированию управляемых доменных структур, а это необходимо при создании разветвленных волноводов для спиновых волн».

Ряд работ выполняется в ИРЭ РАН в теоретическом плане. Например, эксперименты по управлению доменными границами с помощью ультразвука только намечаются, но теоретически уже понятно, как это сделать. Ведь быстрое управление магнитными объектами возможно только с помощью немагнитных воздействий – лазером или ультразвуком. Для создания магнитного поля традиционными способами требуются большие затраты энергии и, самое главное, индуктивность электромагнитов накладывает ограничения на формирование коротких импульсов поля.

Совмещение спинтроники с электроникой

«Формирование нейроподобных компьютеров на базе кремниевых микросхем, но с измененной архитектурой и элементами спинтроники, – эта задача, на мой взгляд, является на данном этапе основной, – утверждает Михаил Логунов. – В развитие традиционной микроэлектроники вложены гигантские средства, и очень важно сделать так, чтобы спинтронные устройства были совместимы с кремниевой микроэлектроникой».

Такие примеры в мире уже есть. Компания IBM разработала спинтронную оперативную энергонезависимую память, совмещенную с обычной микросхемой, освоен выпуск по технологии 22 нм. Компания Samsung объявила об успешном опыте вычислений в оперативной энергонезависимой памяти и работе таких чипов с операциями искусственного интеллекта. Но в обоих случаях спинтронные структуры сформированы на базе магнитных металлических пленок, а сигналы между ними передаются, как обычно, с помощью перемещения электронов. Это не позволяет в полной мере реализовать преимущества спинтроники, когда для передачи информации используются спиновые волны. Самые лучшие материалы для спинтроники – это все-таки кристаллы, тот же железо-иттриевый гранат. Но нарастить кристалл на другом кристалле не всегда просто.

«Вырастить кристалл граната непосредственно на кристалле кремния невозможно, – рассказывает ученый. – У них разные параметры кристаллических решеток».

Для решения этой проблемы много лет пытались использовать промежуточные слои, но они получались слишком толстыми для микроэлектроники. И только в последнее время интерес к этому направлению значительно вырос, поскольку найдены способы сделать промежуточные слои достаточно тонкими.

«Это огромное достижение и очень важная технология, которую, конечно, необходимо развивать и в России, – говорит Михаил Логунов. – В этом направлении довольно успешно работают наши коллеги в НПЦ НАН Беларуси по материаловедению. Осенью 2021 года мы заключили с ними договор. Они будут синтезировать пленки граната на кремниевых подложках, а мы – изучать их свойства, возможности для плодотворного сотрудничества имеются».

Ориентиры

Спинтроника привлекает так много внимания потому, что с ее помощью энергопотребление вычислительных устройств может быть снижено, а быстродействие повышено в десятки тысяч раз.

«Это ориентиры, которые полностью реализовать трудно и, может быть, даже невозможно, но повысить параметры вычислительных устройств на 2-3 порядка представляется реальным», – утверждает Михаил Логунов.

Итог рассказу специалиста подвел директор ИРЭ РАН, член-корреспондент РАН Сергей Никитов, рассказавший, что работы в этом направлении значительно продвинулись в последние несколько лет, после того как институт в 2019 году выиграл мегагрант по теме «Разработка новых принципов и элементной базы устройств для сверхбыстрой энергоэффективной обработки и передачи информации на базе нейроморфных процессоров, спинтроники и спин-фотоники» под руководством ведущего ученого Андрея Кирилюка из Университета Радбауда (Нидерланды).

«Мы выиграли мегагрант, благодаря чему нам удалось очень сильно улучшить нашу экспериментальную базу, – рассказывает директор ИРЭ РАН. – Надеемся, что в ближайшие годы прогресс в этой области будет значительным в силу нашего опыта, наличия фундаментальных результатов и знания работ зарубежных коллег, возможностям которых мы сегодня не уступаем».

Подготовил Леонид Ситник, редакция сайта РАН.

Доклад д.ф.-м.н. Михаила Логунова (ИРЭ РАН), члена-корреспондента РАН Сергея Никитова (ИРЭ РАН), PhD Андрея Кирилюка (ИРЭ РАН; Университет Радбауда, Нидерланды) «Нейроморфные системы и энергонезависимая память на базе спиновых текстур» был прочитан 17 февраля 2022 года на совместном заседании Научного совета ОНИТ РАН «Фундаментальные проблемы элементной базы информационно-вычислительных и управляющих систем и материалов для ее создания» под председательством академика-секретаря Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН Геннадия Красникова и Научного совета ОНИТ РАН «Фундаментальные проблемы наноструктур и нанотехнологий» под председательством академика РАН Владислава Панченко.