Bölünmüş Dalga

Yapay Zekadaki (AI) en önemli araçlardan biri sinir ağlarıdır: İnsan beyninin işleyişini taklit ederler ve metinleri, dili ve görüntüleri güvenilir bir şekilde tanıyabilirler.

Şimdiye kadar, uyarlanabilir yazılım biçiminde geleneksel işlemciler üzerinde çalışılmaktadır ancak uzmanlar alternatif bir kavram olan “nöromorfik bilgisayar” üzerinde çalışmaya devam etmektedirler.

Bu durumda, beynin anahtarlama noktaları nöronlar, yazılım tarafından simüle edilmez ancak donanım bileşenlerinde yeniden yapılandırılırlar.

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf’taki (HZDR) bir araştırma ekibi, mikrometre boyutunda gofretler halinde üretilen ve bölünen bu tür donanım hedefli manyetik dalgalara yeni bir yaklaşım geliştirdiler. Geleceğe bakmak, bu optimizasyon görevlerinin ve örüntü tanımanın daha hızlı ve daha verimli enerji bir şekilde tamamlanabileceği anlamına gelmektedir.

Ekip, araştırmalarını sadece birkaç mikrometre genişliğinde manyetik malzeme demir nikelinden oluşan küçük bir diske dayandırdı.

Bu diskin etrafına altın bir halka yerleştirilir: Gigahertz aralığındaki alternatif bir akım içinden geçtiğinde, diskteki sözde spin dalgalarını harekete geçiren mikrodalgalar yayar.

HZDR’de Emmy Noether Group “Magnonics” başkanı Helmut Schultheiß, “Demir nikeldeki elektronlar, bir dönme hareketi sergiliyor, bir tür topaç gibi dönüyor,” diye açıklamaktadır.

“Elektron tepesini rotasının biraz dışına atmak için mikrodalga darbelerini kullanıyoruz.” Elektronlar daha sonra bu rahatsızlığı ilgili komşularına aktarıyorlar, bu da malzemenin içinden bir spin dalgasının fırlamasına neden olur. Bu şekilde bilgi, elektronların kendilerinin hareket etmesine gerek kalmadan oldukça verimli bir şekilde taşınabilmektedir.

2019’da Schultheiß grubu dikkate değer bir şey keşfetti: Belirli koşullar altında, manyetik girdapta üretilen spin dalgası, her biri azaltılmış frekansa sahip iki dalgaya bölünebilir. Schultheiß’ın meslektaşı Lukas Körber, “Bundan doğrusal olmayan etkiler denen şey sorumludur” diye açıklıyor. “Yalnızca ışınlanmış mikrodalga gücü belirli bir eşiği geçtiğinde etkinleştirilirler.” Bu tür davranışlar, yapay nöronlar için ümit verici adaylar olarak spin dalgalarını öne sürüyor çünkü beynin işleyişiyle şaşırtıcı bir paralellik var: bu nöronlar da yalnızca belirli bir uyarıcı eşiği aşıldığında ateşlenmektedir.

Mikrodalga Tuzağı

Bununla birlikte, bilim adamları ilk başta spin dalgasının bölünmesini çok kesin bir şekilde kontrol edemediler. Körber nedenini şöyle açıklıyor: “Mikrodalgayı diske gönderdiğimizde, spin dalgası iki yeni dalgaya bölünmeden önce bir gecikme vardı. Ve bunu kontrol etmek zordu.” Bu yüzden ekip, Fiziksel İnceleme Mektuplarında açıkladıkları problemin etrafında bir yol bulmak zorunda kaldı: Altın yüzüğe ek olarak, manyetik gofretin yakınına küçük bir manyetik şerit yapıştırıldı. Kısa bir mikrodalga sinyali, bu şeritte, gofretteki dönme dalgası ile etkileşime girebilen ve böylece bir tür tuzak görevi gören bir dönme dalgası üretir. Şeritteki dönme dalgası, gofret içindeki dalganın daha hızlı bölünmesine neden olur. Körber, “Bölünmenin daha hızlı gerçekleşmesi için çok kısa bir ek sinyal yeterli” diye açıklıyor. “

Bu aynı zamanda prensip olarak spin dalgalı gofretlerin yapay donanım nöronları için uygun olduğu kanıtlanmıştır. Beyindeki sinir hücrelerine benzer şekilde geçiş yaparlar ve doğrudan kontrol edilebilirler. Helmut Schultheiß, “Yapmak istediğimiz bir sonraki şey, spin dalgası nöronlarımızla küçük bir ağ oluşturmaktır.” “Bu nöromorfik ağ, daha sonra basit kalıpları tanıma gibi basit görevleri yerine getirmelidir.”

Yüz tanıma ve trafik optimizasyonu Desen tanıma, AI’nın en önemli uygulamalarından biridir. Örneğin bir akıllı telefondaki yüz tanıma, şifre gerekliliğini ortadan kaldırır. Çalışması için, büyük bir bilgi işlem gücü ve büyük miktarda veri içeren bir sinir ağının önceden eğitilmesi gerekir. Akıllı telefon üreticileri bu ağı daha sonra cep telefonuna entegre edilen özel bir çipe aktarıyorlar. Ancak bu çip zayıflık göstermektedir. Yani uyarlanabilir değildir, bu nedenle örneğin Covid maskesi takan yüzleri tanıyamıyor.

Öte yandan, nöromorfik bir bilgisayar şu gibi durumlarla da başa çıkabilir: geleneksel yongaların aksine, bileşenleri sıkı bir şekilde bağlanmamıştır ancak beyindeki sinir hücreleri gibi işlev görür. Schultheiß, “Bu nedenle, nöromorfik bir bilgisayar, tıpkı bir insan gibi aynı anda büyük hacimli verileri işleyebilir” diyor.

Örüntü tanımanın yanı sıra, yeni bilgisayar türü, ekonomik olarak ilgili başka bir alanda da yararlı olabilir. Yüksek hassasiyetli akıllı telefon rota planlayıcıları gibi optimizasyon görevlerinde kullanılabilir.