Недорогую аппаратную нейросеть, способную выполнять нейроморфные вычисления на спиновых волнах, разработали в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ». В основе системы — керамическая ферритовая пластина железо-иттриевого граната, заменившая дорогие монокристаллические пленки. О принципах работы устройства и перспективах технологии рассказал руководитель Лаборатории магноники и радиофотоники им. Б.А. Калиникоса, профессор кафедры физической электроники и технологии, доктор физико-математических наук Алексей Борисович Устинов.
Проблема распознавания изображений долгое время решалась исключительно программными нейросетями, работающими на универсальных процессорах. Однако в последние десять лет возник запрос на энергоэффективные аппаратные реализации, что привело к появлению концепции физического резервуарного компьютера. Лаборатория магноники и радиофотоники ЛЭТИ была создана в 2021 г. по программе мегагрантов именно для фундаментальных исследований таких устройств.
Сегодня конкурируют два подхода: создание полностью специализированных нейросетевых блоков и разработка сопроцессоров, подключаемых к обычному компьютеру. Магноника — один из претендентов на роль такой технологии. Ее преимущество — сравнительно низкая скорость спиновых волн, что позволяет сделать устройство миниатюрным. Особый тип рекуррентных нейронных сетей, выполняющих резервуарные вычисления, идеально ложится на магнонную платформу.
«Мы разработали магнонную резервуарную вычислительную систему на основе сравнительно простой в производстве и доступной керамической ферритовой пластины железо-иттриевого граната, заменив ею дорогостоящие эпитаксиально-выращенные монокристаллические пленки ЖИГ. Для этого мы сконструировали физический резервуар по схеме автогенератора на основе спин-волновой линии задержки с петлей положительной обратной связи. Данная архитектура продемонстрировала хорошую эффективность работы при классификации изображений цифр», — рассказал Алексей Борисович Устинов.
В ходе экспериментов система решала задачу распознавания цифр от 0 до 9. Благодаря нелинейности и емкости памяти, обеспечиваемым спиновыми волнами в керамической пластине, при уровне шума 20% точность классификации достигла 98% для крупных печатных цифр (10×10 пикселей), превысила 76% для мелких (5×4 пикселя) и составила 71% для рукописных.
Ключевое преимущество разработки — экономическое. Традиционные магнонные устройства строятся на монокристаллических пленках, получаемых дорогой жидкофазной эпитаксией. Замена их на керамику резко снижает себестоимость. «Если сравнивать керамический магнитный волновод с монокристаллическим, производство керамического однозначно дешевле. Керамическая технология может даже посоревноваться с технологией фотонных интегральных схем, и если она будет развиваться, то потенциально станет даже дешевле фотонной», — отметил ученый.
В перспективе исследователи планируют усовершенствовать архитектуру устройства, чтобы повысить вероятность распознавания и увеличить быстродействие. Работа выполняется по проекту госзадания Минобрнауки РФ (FSEE-2025-0008) в Лаборатории магноники и радиофотоники им. Б. А. Калиникоса, созданной при поддержке мегагранта (соглашение № 075-15-2021-609).
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Источник изображения на странице: Magnific
