Исследователи СПбГЭТУ «ЛЭТИ» выступили участниками фундаментального научного обзора о результатах и перспективах развития на ближайшее десятилетие магноники — актуального сегодня раздела физики, который может быть использован при создании более энергоэффективных и быстродействующих видов вычислительных устройств.

Обзор опубликован в научном журнале IEEE Transactions on Magnetics.

Магноника изучает свойства спиновых волн и их квантов «магнонов», которые существуют в магнитных материалах и могут использоваться в качестве носителей информации, то есть в качестве альтернативы уже хорошо известным электронам и фотонам. Сравнительно недавно ученые показали, что с помощью магнонов можно вести обработку информации с высокой скоростью и низкими энергопотерями в сравнении с полупроводниковыми элементами, из которых построены наиболее распространенные электронные вычислительные устройства.

Сегодня крайне актуальным становится техническая реализация устройств искусственного интеллекта. Целый ряд экспериментов, выполненных учеными из разных стран, демонстрирует высокий потенциал использования свойств магнонов для создания будущих устройств обработки информации, что обещает сделать их более компактными, надежными и эффективными.

Однако для создания магнонных компьютеров — вычислительных устройств, в основе работы которых лежат принципы искусственного интеллекта, требуется разработка эффективной методологии их проектирования, соответствующей компонентной базы, математических моделей, а также программного обеспечения.

«Магноника стала активно развиваться в последнее десятилетие. Благодаря стараниям ученых со всего мира, в этом направлении удалось добиться многих важных результатов. Для осмысления итогов и формулирования актуальных задач, которые предстоит решить в ближайшем будущем, была подготовлена данная обзорная статья. Коллектив авторов включает 116 исследователей из разных стран, включая троих специалистов по магнонике из нашего вуза», — рассказывает профессор кафедры физической электроники и технологии СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Алексей Устинов, который возглавляет лабораторию магноники и радиофотоники.

Основы спин-волновой электроники (а магнонику можно считать новым витком развития данного исследовательского направления) были заложены еще в 1970-х годах. В числе основоположников этого направления в СССР были ученые из СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Это — Орест Генрихович Вендик (1932–2022) и Борис Антонович Калиникос (1945–2020). Последний был награжден в 1988 году государственной премией СССР «за развитие научных основ спин-волновой электроники».

Один из важнейших результатов ученых ЛЭТИ, изложенных в новом обзоре, посвящен разработке резервуарных компьютеров на принципах магноники (Section VII.D: Magnonic Neuromorphic Computing). В планах ученых создать миниатюрное вычислительное устройство, представляющее собой разновидность искусственной нейронной сети. Однако, в отличие от традиционной нейросети, для обработки информации такой компьютер будет использовать специальный магнонный физический «резервуар» из магнитного материала.

Схематическое изображение элемента магнонной логики / ©Пресс-служба ЛЭТИ

Прототип резервуарного компьютера, уже создан при участии ученых ЛЭТИ. Он сравнительно прост в изготовлении потому, что состоит из одного физического резервуара. Для сравнения, техническая реализация искусственной нейросети требует большого числа искусственных нейронов. В настоящее время проводятся исследования по изучению ввода, вывода и обработки данных, а также по эффективности решения задач оптимизации и распознавания образов. Одной из грядущих задач дорожной карты по развитию магноники в аспекте создания резервуарных компьютеров исследователи ЛЭТИ называют дальнейший поиск магнитных соединений с наиболее эффективными свойствами.

В качестве одного из вариантов таких материалов ученые предлагают использовать искусственные мультиферроики — это класс веществ, у которых электрические свойства зависят от магнитного поля и наоборот — магнитные параметры зависят от электрического поля. Эти свойства позволяют облегчить управление магнонами. Ученые ЛЭТИ также предложили схемы устройств для обработки информации, в том числе на основе мультиферроиков.

Схематическое изображение электромагнонных кристаллов / ©Пресс-служба ЛЭТИ

«Результаты наших фундаментальных исследований могут быть не только интересны ученым, но и полезны представителям высокотехнологических отраслей промышленности, которых интересует возможность внедрения инноваций. Важной частью работы лаборатории является налаживание контактов с предприятиями и с представителями бизнеса», — рассказывает Алексей Устинов.

Исследования в сфере магноники проводятся в лаборатории магноники и радиофотоники им. Б.А. Калиникоса, которая была создана в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в 2021 году в рамках мегагранта Правительства Российской Федерации. Ее главная задача — обнаружение и исследование физических эффектов, которые затем можно положить в основу работы резервуарного компьютера.