Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В проекте осуществляется поиск аппаратной реализации искусственных интеллектуальных систем, их типичных элементов (синапсов, нейронов) и функций, позволяющих имитировать работу человеческого мозга. Выбранная для анализа и технологической реализации модель Leaky Integrate-and-Fire (LIF) нейрона - одна из наиболее широко используемых моделей биологических нейронов в современной теоретической нейробиологии. Абстрагирование биологических нейронов в небольшой набор основных операций, таких как взвешивание и задержка на входе от синапса, суммирование, временная интеграция и пороговая фильтрация в нейроне, приведет, как планируется, к поведению искусственных сетей с такими элементами как обеспечивающему наибольшее сходство с работой биологических систем. На первом этапе выполнен анализ научных публикаций по реализации моделей нейроморфных оптических систем на основе синапсов и нейронов, определены их основные функции, которые возможно реализовать на базе фазоизменяемых материалов, подготовлен обзор и анализ современных технологических подходов при создании оптических (фотонных) нейронов и нейроморфных систем. Основное внимание уделялось анализу процесса обработки нейроном спайков, как естественному гибриду аналоговой и цифровой обработки, обеспечивающему решение проблемы накопления шума. Новые варианты аппаратной реализации основных функций нейрона, функции суммирования и временной интеграции рассмотрены довольно подробно и проанализированы различные подходы к их технической реализации. Текущая общепринятая интерпретация пороговой фильтрации в нейроне сводится к обработке цифровых сигналов с помощью программных алгоритмов и специальных архитектур, имитирующих модель LIF нейрона. Оптические (фотонные) синапсы и нейроны технологически реализуются на оптических волокнах или планарных волноводах, где основным принципом устройства является высокоскоростная модуляция пропускной способности. Полностью оптическая нейроморфная система может быть реализована на базе искусственных синапсов и нейронов с опорой на проработанные поддерживающие технологии и примеры архитектур нейроморфных систем с практическими примерами программно-аппаратной реализации. Фазоизменяемые материалы с широкозонным фазовым переходом позволяют сохранять заданное состояние в отдельных элементах нейронной сети, тем самым обеспечить энергонезависимую фотонную память, а резонансная дестабилизация связи используется в качестве порога нелинейной активации, позволяя обеспечить реализацию спайковых нейронных сетей. Эти два разных подхода позволяют программировать нейронные сети с низким энергопотреблением после обучения и наносекундными задержками. В результате работы разработана концепция и обобщенная структура импульсной нейроморфной оптической системы, которая содержит описание взаимодействия внутренних элементов оптических синапсов и фотонных нейронов в одном вычислительном ядре. Представлены модели и прототипы электрооптических, оптических и гибридных внутренних элементов на основе фазоизменяемых материалов (GeTe, GeSbTe). Внешнее воздействие (управляющее, модулирующее) на синапсы реализуется импульсами лазерного излучения в видимом диапазоне волн, таким образом изменяя интенсивность (амплитуду) информационных импульсов лазерного излучения ближнего инфракрасного диапазона (лазерного излучения O и C-диапазонов) транслируемых через матрицу синапсов. Далее информационные импульсы усиливаются в усилителе-интеграторе и совместно воздействуют на фотонный нейрон, переводя его кратковременно (при достижении порогового значения) в «открытое состояние» и формируя выходной импульс - «спайк». При этом импульс из нейрона далее разделяется в усилителе-разветвителе на одинаковые по интенсивности выходные импульсы ближнего инфракрасного диапазона, которые являются входными сигналами для следующих ядер нейроморфной оптической системы. Длина волны модулируемого излучения в ближнем инфракрасном обусловлена, во-первых, надежными технологическими решениями на основе планарных и твердотельных усилителей, а, во-вторых, высоким контрастом оптических свойств аморфной и кристаллической фазы тонких пленок халькогенидов. Апробация результата выполнена по форме устного доклада в рамках конференции - International Conference Laser Optics, June 20-24, 2022, Saint-Petersburg, Russia.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В проекте осуществляется поиск аппаратной реализации искусственных интеллектуальных систем, их типичных элементов (синапсов, нейронов) и функций, позволяющих имитировать работу человеческого мозга. Выбранная для анализа и технологической реализации модель Leaky Integrate-and-Fire (LIF) нейрона - одна из наиболее широко используемых моделей биологических нейронов в современной теоретической нейробиологии. Абстрагирование биологических нейронов в небольшой набор основных операций, таких как взвешивание и задержка на входе от синапса, суммирование, временная интеграция и пороговая фильтрация в нейроне, приведет, как планируется, к поведению искусственных сетей с такими элементами как обеспечивающему наибольшее сходство с работой биологических систем. На втором этапе выполнен анализ оптических свойств: показателя преломления n(λ) и коэффициента экстинкции k(λ) тонких пленок фазовых материалов, полученных фотометрическими и эллипсометрическими методами, что позволяет оптимизировать оптические характеристики отражения R, пропускания T и поглощения A. Оптимизация оптических характеристик реализуется при использовании дополнительных слоев диэлектрических материалов, которые компенсируют разницу показателей преломления пленки с подложкой и воздухом и минимизируют отражения. Такой подход позволяет повысить контраст уровней передачи модулированного оптического сигнала в ближнем инфракрасном диапазоне. Определены комбинации многослойных структур для реализации контрастных уровней передачи. В результате работы уточнены особенности построения нейроморфных систем и аспекты реализации функций базовых элементов. Описаны аппаратные реализации базовых элементов импульсной нейроморфной оптической системы - синапсов и нейронов - на основе изменения фазового состояния тонкопленочных структур из халькогенидных материалов под воздействием лазерных импульсов. Оптимизированы методы расчета оптических характеристик тонких пленок GeSbTe в многослойных структурах. Выполнен анализ аппаратной реализации основных функций оптических нейронов, который проводился на модели с многослойными покрытиями на основе фазоизменяемых материалов. При анализе работы многослойной структуры оптического нейрона выявлена значительная деградация свойств слоев структуры, что приводит к невозможности использовать переключения между аморфной и кристаллической фазами как принципа работы оптического нейрона. Увеличения циклов переключения между разными фазовыми состояниями возможно при использовании новых материалов, в которых есть две и более кристаллические фазы с высоким оптическим контрастом свойств, при работе следует исключить тепловые процессы, приводящие к появлению аморфной фазы в материале при переключениях и приводящих к деградации структуры.