K-space Neural computation with magnEtic exciTations. K-NET

Las redes neuronales artificiales representan un componente clave de la computación neuromórfica para tareas computacionales no booleanas. Emulan el cerebro mediante el uso de elementos no lineales que actúan como neuronas que están interconectadas a través de sinapsis artificiales. Sin embargo, estas implementaciones físicas enfrentan dos desafíos importantes. En primer lugar, la interconectividad a menudo se ve limitada debido a las limitaciones de las técnicas de litografía y el diseño de la arquitectura de circuitos; las conexiones están limitadas a 100, en comparación con 10000 en el cerebro humano. En segundo lugar, cambiar el peso de estas interconexiones individuales de forma dinámica requiere elementos de memoria adicionales adjuntos a estos enlaces.

En esto proyecto, proponemos una arquitectura innovadora para sortear estos problemas. Se basa en la idea de que la hiperconectividad dinámica se puede implementar no en el espacio real sino en el recíproco o en el espacio k. Para demostrar este enfoque novedoso, hemos seleccionado nanoestructuras ferromagnéticas en las que poblaciones de ondas de espín, las excitaciones elementales, desempeñan el papel de neuronas. La característica clave de la dinámica de magnetización es su fuerte no linealidad, que, cuando se combina con estímulos externos como campos aplicados y corrientes, se traduce en dos características útiles: (i) interacciones no lineales a través del intercambio y las interacciones dipoledipolares acoplan potencialmente todos los modos de onda de espín juntos, creando así alta conectividad; (ii) la fuerza del acoplamiento depende de la población de cada modo k, lo que permite modificar dinámicamente los pesos sinápticos. El concepto revolucionario aquí es que las interconexiones en el espacio real no son necesarias para lograr la hiperconectividad o pesos sinápticos reconfigurables.

El objetivo final es proporcionar una prueba de concepto de una red neuronal de espacio k basada en ondas de espín que interactúan en materiales de baja pérdida como el granate de hierro ytrio (YIG). Los modos propios de onda de espín relevantes están en el rango de GHz y se puede acceder a ellos mediante campos de microondas y torques tipo espin-orbita y así lograr elementos que puedan ser usados en el diseño de dispositivos de computación neuromórfica.

K-Space Neural Computation with Magnetic Excitations. K-NET
Cuantización del espectro de las ondas de espín en un nanodisco de YIG

 

Entidades participantes en el proyecto

Pazmany Peter Katolikus Egyetem, C.R.E.A.T.E. Consorzio di Ricerca per Lenergia, Centre National de la Recherche Scientifique, Thales SA, Commissariat A L’energie Atomique, Instituto de Tecnologías Físicas y de la Información, Westfaelische Wilhelms-Universitaet Muenster