Ученые выяснили, как неизбежные дефекты влияют на работу сверхпроводниковых нейронов
Научный коллектив из Института физики твердого тела РАН, МФТИ и СП «Квантовые технологии» исследовал вопрос о том, как неизбежные производственные дефекты влияют на работу искусственных нейронов на основе сверхпроводников. Ученые систематизировали три основных типа асимметрии, которые могут возникать в таких устройствах, и показали, что каждый из них оставляет уникальный «отпечаток» на выходном сигнале нейрона. Эта работа не только объясняет ранее полученные экспериментальные данные, но и предоставляет инженерам мощный инструмент для диагностики и отладки сверхпроводниковых нейросетей — ключевого элемента для создания энергоэффективного искусственного интеллекта будущего.
Современные нейронные сети, лежащие в основе технологий искусственного интеллекта, демонстрируют поразительные способности в обработке данных, но их работа требует колоссальных энергетических затрат. Ключевой элемент таких систем — искусственный нейрон, элементарная вычислительная ячейка, имитирующая работу живой нервной клетки. Один из наиболее перспективных способов снижения энергопотребления таких нейроморфных систем — переход на сверхпроводниковую электронику. Устройства на ее основе способны работать на сверхвысоких частотах и потребляют в тысячи раз меньше энергии по сравнению с полупроводниковыми аналогами.
Внимание российских ученых привлек гаусс-нейрон — сверхпроводниковый прибор, состоящий из двух петель с джозефсоновскими контактами, которые являются сверхпроводниковыми аналогами транзисторов. В идеальном, симметричном случае такой нейрон преобразует входной сигнал в выходной, имеющий форму идеально симметричного купола, математически описываемого функцией Гаусса. Однако при реальном производстве наноразмерных устройств достичь идеальной симметрии практически невозможно. Критические токи джозефсоновских контактов могут немного отличаться, индуктивности плеч интерферометра могут быть неидентичными, а входной управляющий сигнал может подаваться на них с небольшой разбалансировкой. До сих пор не было ясного понимания, как именно каждая из этих потенциальных неисправностей влияет на работу нейрона.
Ученые поставили перед собой цель создать своего рода «диагностический справочник» для разработчиков сверхпроводниковых нейросетей. Они последовательно рассмотрели все три возможных сценария нарушения симметрии и вывели математические уравнения, описывающие передаточную функцию нейрона в каждом из этих случаев. Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом, опубликованы в журнале Beilstein Journal of Nanotechnology.
Федор Разоренов, аспирант МФТИ, прокомментировал: «Есть определенная проблема при диагностике неисправностей сверхпроводниковых нейронов: ключевые параметры (критические токи и индуктивности плеч) нельзя измерить после изготовления нейрона; изучать можно только всю структуру целиком. Информацию об этих величинах приходится извлекать из формы передаточной функции. Наша теория показывает, что каждый тип асимметрии по-своему искажает идеальную куполообразную кривую отклика, оставляя уникальный и узнаваемый след. Научившись читать эти «отпечатки», мы можем с высокой точностью определить, что именно пошло не так при изготовлении конкретной структуры. И наоборот — зная целевые параметры, по полученным формулам легко понять, какой разброс технологических параметров допустим при изготовлении нейрона, а какой слишком сильно исказит передаточную функцию».
Самое важное подтверждение теория получила при сравнении с результатами реального эксперимента, проведенного группой ранее. Экспериментальные данные демонстрировали передаточную функцию в виде почти идеального колокола, но расположенного на заметно наклоненной базовой линии. Теоретическая модель, разработанная в новой статье, однозначно показала, что такой «отпечаток» мог оставить только один тип дефекта — асимметрию подачи входного сигнала. Более того, ученые смогли объяснить и ее причину: даже в физически симметричном образце она может возникать из-за паразитного электромагнитного взаимодействия между управляющей линией и считывающим элементом схемы.
Таким образом, развитый метод позволяет получать информацию о дефектах элементов нейрона, хотя ни один из них не может быть исследован отдельно. Анализируя форму передаточной функции, можно будет проводить диагностику, отбраковывая дефектные образцы или намечая пути совершенствования их конструкции. Это знание критически важно для перехода от единичных лабораторных прототипов к созданию полномасштабных сверхпроводниковых нейроморфных устройств, способных решать сложные задачи искусственного интеллекта с беспрецедентной скоростью и энергоэффективностью.
Telegram 
Дзен 
VK Изучив данные о скорости изменения температур ледяных спутников пятой и шестой планеты системы, астрономы обнаружили, что она слишком высока для по-настоящему ледяной поверхности. Оказалось, что эти тела покрыты материалом, по своим свойствам резко отличающимся от земного льда.
Черные дыры, возможно, не такие «сломанные» объекты, как считалось полвека. Автор нового исследования показал, что даже в рамках Общей теории относительности черная дыра может избежать сингулярности — точки, где законы физики перестают работать. Если он прав, новая теория гравитации для «спасения» физики внутри космических «монстров» не понадобится.
Палеонтологи описали новый вид ископаемой птицы мелового периода, жившей на территории современного Китая 121 миллион лет назад. У маленькой птички размером с воробья были два необычайно длинных хвостовых пера, вдвое превышающих длину ее тела. Перья, по всей видимости, носили декоративный характер и двигались только вверх и вниз, что напоминает брачные игры самцов современных птиц.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Вначале Reuters опубликовал статью о взаимоотношениях SpaceX и Пентагона, которую миллиардер --- традиционно для его отношений с этим изданием — назвал фейком. Опровергая ее тезисы, он обнародовал информацию, не представленную ранее публично.
Провинция Цзянсу была процветающим центром медицинской практики в Китае во времена династии Мин (1368-1644 годы нашей эры). Микроскопический анализ крошечных частиц на поверхности хирургических ножниц и пинцета из гробницы китайского врача помог выявить следы вещества, получаемого из ядовитого растения, которое, по мнению исследователей, применялось как местная анестезия во время операций.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно