Лаборатория по созданию компьютеров, использующих принципы работы нейронов, запущена в ЛЭТИ
Ученые нового научно-исследовательского подразделения займутся разработкой нейроморфных систем – нового поколения электроники, концепция которой подразумевает использование принципов работы человеческого мозга.
Выполненная на транзисторной компонентной базе традиционная вычислительная техника, принцип работы которой базируется на архитектуре фон Неймана, сегодня подходит к пределам своих возможностей по компактности, быстродействию и энергопотреблению. Поэтому ученые из разных стран мира ведут исследования, направленные на разработку компьютеров на альтернативных принципах.
В последние годы одним из новых исследовательских направлений создания вычислительных устройств является нейроморфная электроника – она действует по аналогии с биологическими «устройствами» для обработки информации – нейронами. Одним из ключевых преимуществ нейроморфных систем является их энергоэффективность, они потребляют в тысячу раз меньше энергии, чем графические ускорители, что делает их идеальными для автономных устройств, таких как дроны или носимые гаджеты. Более того, нейроморфные электронные системы могут выполнять множество операций параллельно, что позволяет им обрабатывать данные на порядки быстрее классических компьютеров. При этом они способны обучаться подобно программным нейронным сетям, что делает их также применимыми в сфере машинного обучения и технологий искусственного интеллекта.
В теории реализация нейроморфных технологий позволит создать новый класс вычислительных устройств, обладающих высоким быстродействием и низкими энергозатратами. На практике же для широкого внедрения подобных компьютеров требуется разработка эффективной методологии проектирования устройств, соответствующей компонентной базы, математических моделей и программного обеспечения.
Для решения этой задачи в СПбГЭТУ «ЛЭТИ», специалисты которого имеют мощный и многолетний задел (начиная с 2014 года) в сфере нейроморфных технологий, была организована новая научно-исследовательская лаборатория «Нейроморфная электроника и вычисления в памяти» (НИЛ «НМЭВП»).
«Масштаб проведенных к 2025 году исследований и разработок в области нейроморфной электроники на новой мемристорной электронной компонентной базе привел к созданию целого направления под эгидой НИЛ «Нейроморфной электроники и вычислений в памяти», объединяющего эффективную работу групп специалистов из различных областей: материаловедения, технологии, алгоритмики, IT, схемотехники, ASIC-дизайна». – Руководитель НИЛ «НМЭВП» СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Наталья Владимировна Андреева
Направления исследований новой лаборатории охватывают несколько смежных научных областей. Материаловедческую и технологическую основу работ составляют фундаментальные исследования мемристивных нанослоевых металлооксидных материалов, которые обеспечат возможность интегральной реализации базовых функциональных блоков автономных и аппаратно-обучаемых высокопроизводительных искусственных нейронных сетей с низким энергопотреблением, в том числе используя широко доступные методы производства электронных компонентов (КМОП-технологии). Кроме того, специалисты лаборатории займутся разработкой программно-аппаратного обеспечения нейроморфных электронных устройств.
Одним из ключевых векторов деятельности лаборатории является научно-образовательная работа. В ее рамках сотрудники будут проводить занятия для студентов и магистрантов направления подготовки «Электроника и наноэлектроника». Обучающиеся смогут познакомиться с основными видами компонентной базы, начиная с транзисторов и заканчивая современными сверхбыстродействующими структурами.
В процессе проектной работы студенты смогут детально изучить принципы и нюансы схемотехники, топологического проектирования, автоматизированного синтеза с использованием современного языка описания аппаратуры VHDL и многоуровневого моделирования основных аналоговых и цифровых функциональных узлов современных вычислительных устройств, систем обработки сигналов, ядер видеопроцессоров, современных искусственных нейронных сетей. Приобретенные обучающимися знания и практические навыки успешно используются при выполнении курсового и дипломного проектирования, а полученный опыт обеспечит выпускникам возможность трудоустройства на ведущие профильные предприятия страны.
«Двери нашей лаборатории открыты для студентов, желающих связать направление своей научной деятельности с разработкой фундаментальных основ и прикладных аспектов проектирования нейроморфной электроники будущего – она позволит заложить основы прорывных технологий будущего для удовлетворения современных требований к обеспечению национальной безопасности и качества жизни каждого жителя нашей страны». – Руководитель НИЛ «НМЭВП» СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Наталья Владимировна Андреева
Партнерами лаборатории в рамках научного сотрудничества являются Инновационный научно-технологический центр «Интеллектуальная электроника — Валдай», Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова Российской академии наук. Помимо научного сотрудничества, в лаборатории проводятся практико-ориентированные НИОКР в области разработки и исследования нейроморфных устройств и систем на базе вычислений в памяти с индустриальными партнерами.