Учёные построили первый в мире кремниевый спинтронный чип для вероятностных ИИ-вычислений

Полку «ленивых» процессоров прибыло. Международная группа учёных создала первый в мире чип на принципах термодинамических вычислений используя такую квантовую характеристику элементарных частиц, как спин. Термодинамические или, в более широком смысле, вероятностные вычисления уже изучаются для задач ИИ, что обещает серьёзно снизить энергопотребление. Используя для этого спиновые свойства частиц можно пойти в этом ещё дальше.

Обзор Intel Core Ultra 7 270K Plus — лучший Arrow Lake за полцены

72 полёта над Марсом: как Ingenuity пережил зиму, сбои и собственную миссию

Обзор Ryzen 9 9950X3D2: правильный 16-ядерник с 3D-кешем

Обзор Intel Core Ultra 5 250K Plus, или Как Arrow Lake превратился в «топ за свои деньги»

Выбираем лучший игровой ноутбук до 100 000 рублей: сравнительное тестирование 7 интересных моделей

Ryzen и DDR5-6000 на чипах Samsung — G.Skill даёт добро

Источник изображений: Tohoku University

О разработке сообщила группа учёных из Университета Тохоку (Tohoku University) и Национального института стандартов и технологий США (NIST). Забегая вперёд, добавим, что производством чипа занималась редко упоминаемая в новостях компания SkyWater — спин-офф известного разработчика чипов Cypress Semiconductor. SkyWater тесно сотрудничает с американским ВПК, и весьма примечательно, что она засветилась в этой работе. Пентагон активно интересуется малопотребляющими альтернативами для реализации физических воплощений ИИ, делая ставку на роботизацию боевых операций.

Созданный группой Тохоку—NIST чип опирается на так называемый вероятностный бит (p-bit, probabilistic bit) — он же пит (pIT). Питы почти как кубиты — они тоже представлены вероятностными состояниями, однако не одновременно во всех возможных состояниях от 0 до 1, а в зависимости от входных сигналов в каждый момент времени. Причём побуждение к действию пита, или вероятность того или иного его состояния, может определяться случайной величиной, например тепловым шумом. Поэтому в общем случае речь идёт о термодинамических вычислениях. Кстати, для лучшего погружения в тему крайне рекомендуем прочесть свежую статью на нашем сайте, как раз посвящённую этому вопросу: «Термодинамические вычислители — это нормально».

В качестве термодинамической составляющей спинтронного чипа выступает крошечный магнит, который может менять свою намагниченность под воздействием теплового шума. Тем самым p-bit постоянно случайным образом «скачет» между состояниями 0 и 1, используя случайную намагниченность самого устройства в каждый момент времени. Собственно, в этом проявляется его спинтронная сущность, поскольку флуктуации намагниченности происходят на уровне ориентации спинов атомов.

В этом процессе заключается вся суть вероятностных вычислений, эффективных для задач, которые требуют не последовательного перебора, а быстрого исследования огромного пространства возможных состояний. Обычные компьютеры хорошо исполняют строго предписанные инструкции, но хуже подходят для задач, где приходится работать с заранее неопределёнными значениями. Питы в такой архитектуре являются физическим источником управляемой случайности: элемент сам «прыгает» между 0 и 1, а внешним напряжением можно смещать вероятность того, какое состояние будет встречаться чаще. Это примерно похоже на управление весовыми коэффициентами, хотя на практике всё происходит сложнее. Поэтому подобные элементы и архитектуры всё чаще рассматривают как основу для аппаратных ускорителей ИИ и вероятностных моделей.

В этой конкретной работе был реализован суперпарамагнитный туннельный переход — наноразмерный магнитный элемент, который не способен удерживать одно состояние намагниченности, а естественным образом флуктуирует из-за тепловых и магнитных колебаний. Базовые транзисторы и соединения между элементами были изготовлены с использованием 130-нм КМОП-процесса компании SkyWater Technology. В стенах Университета Тохоку к ним сверху были добавлены спинтронные наноустройства и электроды. По большому счёту, это была попытка совместить спинтронный элемент с обычной кремниевой логикой, что в целом удалось, как показала последующая проверка схемы.

Исследователи подтвердили два ключевых признака работы питов: вероятностные флуктуации выходного напряжения во времени и возможность управлять средним выходным значением питов, используя входное напряжение. Иными словами, устройство не просто шумит, а выдаёт управляемую вероятность — основу для будущих сетей из питов. На следующем этапе группа намерена перейти от производства одиночных спинтронных питов к созданию схем на их основе.