Высокое энергопотребление вызвало серьезные проблемы, ограничивающие масштабируемость и дальнейшую миниатюризацию современных логических устройств, основанных на КМОП-технологии (комплементарный металл-окисел-полупроводник). Эта проблема стимулирует огромный интерес к исследованиям альтернативных технологий, которые могут превзойти эти ограничения и предоставить путь к более функциональным и менее энергоемким логическим устройствам и архитектурам. В отличие от компьютерной архитектуры фон Неймана, где арифметические логические единицы процессора работают с малой порцией данных, хранимых в регистрах процессора в течение одного машинного такта, нейроморфный процессор «видит» всю поступившую на входы информацию и может производить параллельную обработку данных. Несмотря на значительный прогресс в применении нейроморфных КМОП-сетей, этот способ обработки информации недостаточно энергоэффективен, а уровень мощности, необходимый для их работы, на несколько порядков выше своих биологических аналогов. Таким образом, энергоэффективные нейроморфные компьютеры должны использовать новые основополагающие физические принципы, которые ближе к механизмам природных и искусственных нейронных сетей.

Использование спинтроники открывает широкие горизонты для развития энергонезависимой памяти и логических элементов и предоставляет новые подходы к передаче данных. В качестве спинтронного элемента нейроморфного процессора может выступать любая гетероструктура с устойчивыми магнитными состояниями (магнитные вихри, доменные границы, магнитные скирмионы, осцилляторные состояния и т.д.), приходящими в направленное движение под действием заданного порогового импульса спин-поляризованного тока. Несмотря на значительный прогресс в теории осцилляторных нейронных сетей и уже созданные аппаратные реализации, существует большое количество нерешенных методологических задач, а именно разработка теории больших синхронных сетей, работающих подобно мозгу, то есть имеющих огромное количество активных элементов с переключающимися, создающимися и уничтожающимися связями переменной силы. Неотъемлемой частью исследований является изучение переходных процессов, возникновений динамических кластеров, то есть химерных состояний, и хаоса. Ключевое направление исследований магнитных гетероструктур для создания элементной базы спинтронной нейроморфной архитектуры – разработка воспроизводимой мемристорной технологии с эффективным управлением динамикой топологических спиновых структур. Предлагаемые исследования являются весьма актуальными и лежат на пике мировой активности в этой области.

Цель проекта РФФИ «Исследование возможности создания новой элементной базы нейроморфных процессоров на основе сетей спинтронных осцилляторов и магнитных волноведущих структур» заключается в разработке теории искусственных нейроморфных процессоров, выполненных на основе сетей взаимосвязанных спинтронных осцилляторов гигагерцового и терагерцового диапазонов частот, а также магнитных волноведущих структур. В частности, в работе предполагается исследовать физические принципы работы искусственных нейронов и синапсов, выполненных на основе спинтронных осцилляторов, различные механизмы внешней и взаимной синхронизации таких осцилляторов, а также динамические свойства ансамблей нейроморфных осцилляторов различной топологии применительно к решению различных задач.

Руководитель проекта – к.т.н. Сафин Ансар Ризаевич

E-mail arsafin@gmail.com, тел. +7 (495) 629-34-65

Публикации по тематике проекта

1. С. А. Никитов, А. Р. Сафин, Д. В. Калябин, А. В. Садовников, Е. Н. Бегинин, М. В. Логунов, М. А. Морозова, С. А. Одинцов, С. А. Осокин, А. Ю. Шараевская, Ю. П. Шараевский. Диэлектрическая магноника – от гигагерцев к терагерцам. УФН. Т. 190, с. 1009-1040 (2020).

2. A. A. Mitrofanov, A. R. Safin, E. M. Torina, N. N. Udalov. Noise Properties of Two Mutually Coupled Spin-Transfer Nanooscillators in the Phase Locking Regime. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. Vol. 23, № 2, pp. 19-25 (2020).

3. S. A. Osokin, A. R. Safin, S. A. Nikitov. Influence of Shape Effects on the Spectrum of Spin Waves in a Finite Array of Ferromagnetic Pillars. Jetp Lett. Vol. 110, pp. 629–634 (2019).

4. А. Р. Сафин, С. А. Никитов, А. И. Кирилюк, Д. В. Калябин, А. В. Садовников, П. А. Стремоухов, М. В. Логунов, П. А. Попов, Возбуждение терагерцовых магнонов в антиферромагнитных наноструктурах: теория и эксперимент. ЖЭТФ. Т. 158, № 1(7), с. 85–99 (2020).

5. P. A. Popov, A. R. Safin, A. Kirilyuk, S. A. Nikitov, I. Lisenkov, V. Tyberkevich, A. Slavin. Voltage-Controlled Anisotropy and Current-Induced Magnetization Dynamics in Antiferromagnetic-Piezoelectric Layered Heterostructures. Phys. Rev. Applied. Vol. 13, p. 044080 (2020).

6. Е. А. Вилков, С. А. Никитов, М. В. Логунов, С. Г. Чигарев. Спиновая поляризация неравновесных электронов проводимости в магнитных переходах. Радиотехника и электроника. Т. 64, № 12, с. 1228-1237 (2019).

7. Е. А. Вилков, С. А. Никитов, О. А. Бышевский-Конопко, А. Р. Сафин, Л. А. Фомин, С. Г. Чигарев. Инжекционная неравновесная спиновая поляризация в магнитном переходе с учетом спиновой подвижности электронов. Радиотехника и электроника. Т. 65, № 9, с. 919-926 (2020).

8. A. Safin, V. Puliafito, M. Carpentieri, G. Finocchio, S. Nikitov, P. Stremoukhov, A. Kirilyuk, V. Tyberkevich, A. Slavin. Electrically tunable detector of THz-frequency signals based on an antiferromagnet. Appl. Phys. Lett. Vol. 117, № 22, p. 222411 (2020).

9. D. A. Frolov, A. R. Safin, N. N. Udalov, V. A. Sotskov. Dynamic Characteristics of a Biharmonic Self-Oscillator. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. Vol. 23, № 4, pp. 6-14 (2020).

10. А. Р. Сафин, П. А. Попов, Д. В. Калябин, С. А. Никитов. Синтезатор дискретной сетки частот на основе антиферромагнитного спинтронного осциллятора. ПЖТФ. Т. 46, № 20, с. 23 (2020).

11. А. Р. Сафин, Е. Е. Козлова, Д. В. Калябин, С. А. Никитов. Детектирование терагерцевых электромагнитных волн с помощью проводящих антиферромагнетиков. ПЖТФ. Т. 47, № 16, с. 20 (2021).

12. M. V. Logunov, S. S. Safonov, A. S. Fedorov, A. A. Danilova, N. V. Moiseev, A. R. Safin, S. A. Nikitov, A. Kirilyuk. Domain Wall Motion Across Magnetic and Spin Compensation Points in Magnetic Garnets. Phys. Rev. Applied. Vol. 15, p. 064024 (2021).

13. G. Consolo, G. Valenti, A. R. Safin, S. A. Nikitov, V. Tyberkevich, A. Slavin. Theory of the electric field controlled antiferromagnetic spin Hall oscillator and detector. Phys. Rev. B. Vol. 103, p. 134431(2021).

14. О. С. Темная, G. P. Tsironis. Фазовая кластеризация в иерархическом ансамбле связанных осцилляторов ван дер Поля. ПЖТФ. Т. 47, № 9, с. 14 (2021).

15. E. A. Vilkov, S. G. Chigarev, I. V. Malikov, L. A. Fomin. Terahertz Radiation in the Fe/Mo Magnetic Transition. Phys. Solid State. Vol. 63, pp. 1574–1578 (2021).

16. Д. Л. Загорский, И. М. Долуденко, С. Г. Чигарев, Е. А. Вилков, А. Э. Муслимов, Д. А. Черкасов, А. И. Панас. Слоевые нанопроволоки: синтез, микроскопия и применение для генерации ТГц-излучения. Известия РАН. Серия физическая. Т. 85, № 8, с. 1102-1108 (2021).

17. D. L. Zagorskiy, I. M. Doludenko, S. G. Chigarev, E. A. Vilkov, V. M. Kanevskii, A. I. Panas. Ensembles of Layered Nanowires, Obtained by Matrix Synthesis Technique, for Generation of THz Irradiation. IEEE Transactions on Magnetics. Vol. 58, № 2, pp. 1-5 (2022).

18. В. А. Лойко, А. А. Добровольский, В. Н. Кочемасов, А. Р. Сафин. Автогенераторы на поверхностных акустических волнах (обзор). Известия вузов России. Радиоэлектроника. Т. 25, № 3, с. 6-21 (2022).

19. E. Vilkov, O. Byshevski-Konopko, P. Stremoukhov, A. Safin, M. Logunov, D. Kalyabin, S. Nikitov, A. Kirilyuk. Magnetic domain wall motion driven by an acoustic wave. Ultrasonics. Vol. 119, p. 106588 (2022).

20. A. Mitrofanova, A. Safin, O. Kravchenko, S. Nikitov, A. Kirilyuk. Optically initialized and current-controlled logical element based on antiferromagnetic – heavy metal heterostructures for neuromorphic computing. Appl. Phys. Lett. Vol. 120, p. 072402 (2022).

21. P. Stremoukhov, D. Carl S., A. Safin, S. Nikitov, A. Kirilyuk. Phononic manipulation of antiferromagnetic domains in NiO. New J. Phys. Vol. 24, p. 023009 (2022).

Участие в научных мероприятиях по тематике проекта

1. Конференция «Микроэлектроника 2019», Республика Крым, г. Алушта.

2. Конференция «Рубежи нелинейной физики – 2019», г. Нижний Новгород.

3. Конференция «Микроэлектроника 2020», Республика Крым, г. Ялта.

4. Конференция «Нелинейные волны – 2020», г. Нижний Новгород.

5. Молодежная школа «Микроэлектроника 2021», Республика Крым, г. Алушта.

6. Конференция «Functional materials 2021». Республика Крым, г. Алушта.

7. Конференция «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика», г. Саратов.

8. Конференция «Антиферромагнитная спинтроника: от топологии до нейроморфных вычислений», г. Майнц, Германия.