Gli scienziati hanno sviluppato un componente per un computer neuromorfico
Le reti neurali sono uno dei più importanti strumenti di intelligenza artificiale (AI): imitano il funzionamento del cervello umano e possono riconoscere in modo affidabile testo, linguaggio e immagini, solo per citarne alcuni. Finora stanno lavorando su processori tradizionali sotto forma di software adattivo, ma gli esperti stanno lavorando su un concetto alternativo: un "computer neuromorfico".
In questo caso, i punti di commutazione del cervello - i neuroni - non sono modellati nel software, ma sono ricostruiti da componenti hardware. Un team di ricercatori dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha dimostrato un nuovo approccio a tali apparecchiature: onde magnetiche mirate che vengono generate e suddivise in piastre di dimensioni micrometriche. Guardando al futuro, ciò potrebbe significare che le attività di ottimizzazione e riconoscimento dei modelli possono essere eseguite più velocemente e con meno energia. I ricercatori hanno presentato i loro risultati sulla rivista Physical Review Letters.
Gli scienziati hanno basato la loro ricerca su un minuscolo disco di materiale magnetico ferro-nichel, di soli pochi micrometri di diametro. Attorno a questo disco c'è un anello d'oro: quando una corrente alternata nella gamma dei gigahertz lo attraversa, emette microonde che eccitano le cosiddette onde di spin nel disco.
"Gli elettroni nel ferro-nichel mostrano uno spin, una specie di rotazione sul posto, piuttosto come una trottola", spiega Helmut Schulheiss di HZDR. "Stiamo usando gli impulsi a microonde per abbattere un po 'la parte superiore degli elettroni". Gli elettroni trasmettono quindi questo disturbo ai loro vicini, che costringono l'onda di spin a viaggiare attraverso il materiale. In questo modo, le informazioni possono essere trasmesse in modo molto efficiente senza dover spostare gli elettroni stessi, come nel caso dei moderni chip per computer.
Nel 2019, i ricercatori hanno scoperto qualcosa di straordinario: in determinate circostanze, un'onda di spin generata in un vortice magnetico può essere suddivisa in due onde, ciascuna con una frequenza ridotta.
"I cosiddetti effetti non lineari sono responsabili di questo", spiegano gli scienziati. "Si attivano solo quando la potenza delle microonde irradiate supera una certa soglia". Questo comportamento suggerisce che le onde di spin sono candidati promettenti per i neuroni artificiali, perché c'è un parallelo sorprendente a come funziona il cervello: questi neuroni si attivano anche solo quando viene superata una certa soglia di stimolo.
Tuttavia, all'inizio, gli scienziati non sono stati in grado di controllare con precisione la divisione dell'onda di rotazione. Quindi il team ha dovuto trovare un modo per risolvere il problema che ora hanno descritto in Physical Review Letters: oltre all'anello d'oro, una piccola striscia magnetica è attaccata alla piastra magnetica. Un breve segnale a microonde genera un'onda di rotazione in questa striscia, che può interagire con l'onda di rotazione nella piastra e quindi agire come una sorta di esca.
L'onda di rotazione nella striscia rende l'onda nella piastra più veloce. "Un segnale aggiuntivo molto breve è sufficiente perché la separazione avvenga più velocemente", spiegano i ricercatori. "Ciò significa che ora possiamo avviare il processo e controllare il ritardo."
"La prossima cosa che vogliamo fare è costruire una piccola rete con i nostri neuroni delle onde di spin", dicono i ricercatori. "Questa rete neuromorfica deve quindi eseguire compiti semplici come il riconoscimento di schemi semplici".
Il riconoscimento facciale e il riconoscimento dei modelli sono una delle principali applicazioni dell'IA. Ad esempio, il riconoscimento facciale su uno smartphone elimina la necessità di inserire una password. Affinché funzioni, la rete neurale deve essere addestrata in anticipo, il che richiede un'enorme potenza di calcolo e enormi quantità di dati. I produttori di smartphone trasferiscono questa rete a un chip speciale, che viene quindi integrato nel telefono cellulare. Ma il chip ha un punto debole. Non è reattivo, quindi non può riconoscere i volti mascherati, ad esempio.
D'altra parte, un computer neuromorfico può anche far fronte a situazioni simili: a differenza dei chip convenzionali, i suoi componenti non sono cablati rigidamente, ma funzionano come cellule nervose nel cervello. Grazie a ciò, il computer neuromorfico può elaborare grandi quantità di dati contemporaneamente, come un essere umano, e allo stesso tempo è molto efficiente dal punto di vista energetico. Oltre al riconoscimento di pattern, il nuovo tipo di computer può essere utile in un'altra area economicamente significativa: per attività di ottimizzazione, come i pianificatori di percorsi ad alta precisione su smartphone.