‘Nanomagnetisk’ databehandling kan gi lavenergi AI, viser forskere | Imperial News


Et rutenett av lange ovaler som inneholder små piler som peker i forskjellige retninger, som representerer nanomagneter




Forskere har vist at det er mulig å utføre kunstig intelligens ved å bruke bittesmå nanomagneter som samhandler som nevroner i hjernen.

Den nye metoden, utviklet av et team ledet av forskere fra Imperial College London, kan redusere energikostnadene til kunstig intelligens (AI), som for tiden dobles globalt hver 3,5 måned.

Hvordan magnetene samhandler gir oss all informasjonen vi trenger; selve fysikkens lover blir datamaskinen. Kilian Stenning

I en artikkel publisert i dag i Natur nanoteknologi, har det internasjonale teamet produsert det første beviset på at nettverk av nanomagneter kan brukes til å utføre AI-lignende prosessering. Forskerne viste at nanomagneter kan brukes til «tidsserieprediksjon»-oppgaver, for eksempel å forutsi og regulere insulinnivåer hos diabetikere.

Kunstig intelligens som bruker “nevrale nettverk” har som mål å gjenskape måten deler av hjernen fungerer på, der nevroner snakker med hverandre for å behandle og beholde informasjon. Mye av matematikken som ble brukt til å drive nevrale nettverk ble opprinnelig oppfunnet av fysikere for å beskrive måten magneter samhandler på, men på den tiden var det for vanskelig å bruke magneter direkte ettersom forskere ikke visste hvordan de skulle legge inn data og få informasjon ut.

I stedet ble programvare som ble kjørt på tradisjonelle silisiumbaserte datamaskiner brukt til å simulere magnetinteraksjonene, som i sin tur simulerte hjernen. Nå har teamet vært i stand til å bruke selve magnetene til å behandle og lagre data – kuttet ut mellommannen i programvaresimuleringen og potensielt tilby enorme energibesparelser.

Nanomagnetiske tilstander

Nanomagneter kan komme i forskjellige “tilstander”, avhengig av retning. Å påføre et magnetfelt på et nettverk av nanomagneter endrer tilstanden til magnetene basert på egenskapene til inngangsfeltet, men også på tilstanden til omkringliggende magneter.

En graf med diffuse og sterke linjer
Et kart over tilstandene til nanomagneter i ett eksperiment

Teamet, ledet av forskere fra Imperial Department of Physics, var deretter i stand til å designe en teknikk for å telle antall magneter i hver stat når feltet har passert gjennom, og gir “svaret”.

Med-førsteforfatter av studien Dr Jack Gartside sa: “Vi har prøvd å knekke problemet med hvordan man legger inn data, stiller et spørsmål og får svar ut av magnetisk databehandling i lang tid. Nå har vi bevist at det kan gjøres, det baner vei for å bli kvitt dataprogramvaren som gjør den energikrevende simuleringen.”

Medforfatter Kilian Stenning la til: «Hvordan magnetene samhandler gir oss all informasjonen vi trenger; fysikkens lover blir selve datamaskinen.»

Lagleder Dr Will Branford sa: “Det har vært et langsiktig mål å realisere maskinvare inspirert av programvarealgoritmene til Sherrington og Kirkpatrick. Det var ikke mulig å bruke spinnene på atomer i konvensjonelle magneter, men ved å skalere opp spinnene til nanomønstrede arrays har vi vært i stand til å oppnå den nødvendige kontrollen og avlesningen.»

Redusere energikostnader

AI brukes nå i en rekke sammenhenger, fra stemmegjenkjenning til selvkjørende biler. Men å trene opp AI til å gjøre selv relativt enkle oppgaver kan ta enorme mengder energi. For eksempel, å trene AI for å løse en Rubiks kube tok energiekvivalenten til to atomkraftverk som gikk i en time.

Mye av energien som brukes for å oppnå dette i konvensjonelle datamaskiner med silisiumbrikke, kastes bort i ineffektiv transport av elektroner under prosessering og minnelagring. Nanomagneter er imidlertid ikke avhengige av fysisk transport av partikler som elektroner, men behandler og overfører i stedet informasjon i form av en “magnon”-bølge, der hver magnet påvirker tilstanden til nabomagneter.

Dette betyr at mye mindre energi går tapt, og at behandling og lagring av informasjon kan gjøres sammen, i stedet for å være separate prosesser som i konvensjonelle datamaskiner. Denne innovasjonen kan gjøre nanomagnetisk databehandling opptil 100 000 ganger mer effektiv enn konvensjonell databehandling.

AI på kanten

Teamet vil deretter lære systemet ved hjelp av data fra den virkelige verden, for eksempel EKG-signaler, og håper å gjøre det til en ekte dataenhet. Etter hvert kan magnetiske systemer integreres i konvensjonelle datamaskiner for å forbedre energieffektiviteten for intense behandlingsoppgaver.

Deres energieffektivitet betyr også at de muligens kan drives av fornybar energi og brukes til å gjøre “AI på kanten” – behandle dataene der de blir samlet inn, for eksempel værstasjoner i Antarktis, i stedet for å sende dem tilbake til store datasentre.

Det betyr også at de kan brukes på bærbare enheter for å behandle biometriske data om kroppen, for eksempel å forutsi og regulere insulinnivåer for diabetikere eller oppdage unormale hjerteslag.

Rekonfigurerbar trening og reservoarberegning i en kunstig spinn-vortex-is via spinnbølge-fingeravtrykk‘ av Jack C. Gartside, Kilian D. Stenning, Alex Vanstone, Holly H. Holder, Daan M. Arroo, Troy Dion, Francesco Caravelli, Hidekazu Kurebayashi og Will R. Branford er publisert i Natur nanoteknologi.