Устройство нейроморфной обработки СВЧ-сигналов на принципах магноники
DEVICE FOR NEUROMORPHIC PROCESSING OF MICROWAVE SIGNALS BASED ON THE PRINCIPLES OF MAGNONICS

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах телекоммуникаций и СВЧ-измерений в качестве физической нейронной сети для аналоговой обработки сверхвысокочастотного сигнала.
Из существующего уровня техники известно нейроморфное устройство обработки СВЧ-сигнала, работающее на принципах работы нейронной сети (Papp A., Porod W., Csaba G. Nanoscale neural network using non-linear spin-wave interference //arXiv preprint arXiv:2012.04594. – 2020), состоящее из пленки феррита, работающей в нелинейном режиме, находящейся в однородном внешнем магнитном поле, над пленкой находится система из наномагнитов, создающих локальное изменение магнитного поля, для возбуждения и приема сигнала в системе используется система одноэлементных полосковых антенн. Физический принцип работы устройства основан на принципах магноники. Постоянное магнитное поле позволяет существовать в пленке феррита спиновым волнам, при этом величина магнитного поля определяет диапазон существования спиновых волн. Полосковые одноэлементные антенны служат для возбуждения и приема СВЧ спиновых волн в пленке феррита. Входной СВЧ-сигнал подается на вход, представляющий собой одноэлементную полосковую антенну. Одна антенна используется для ввода СВЧ-сигнала в пленку феррита, остальные антенны служат для вывода обработанного СВЧ-сигнала. Подаваемый на вход СВЧ-сигнал, через полосковую антенну возбуждает в пленке феррита СВЧ-спиновые волны, которые распространяются до выходных антенн и наводят в них СВЧ-ток. Анализ сигнала происходит путем сопоставления мощности выходных сигналов, получаемых за счет интерференции на выходных антеннах спиновых волн, распространяющихся в структуре. Система из нано-магнитов локально управляет законом дисперсии спиновых волн и позволяет перенаправлять суммарные сигналы разных частот на разные выходы. Описанное устройство функционирует на основе принципов работы нейронной сети, входная антенна выполняет роль входного нейрона, система из наномагнитов выполняет роль скрытых нейронных слоев, выходные антенны выполняют роль выходных нейронов. Задание весовых коэффициентов нейронной сети в рамках обучения сводится к созданию системы наномагнитов с заданными значениями магнитного поля. Факт, что в основе работы устройства используется пленка феррита, работающая в нелинейном режиме, позволяет обрабатывать сигналы различного уровня мощности и увеличить вероятность распознавания сигналов после обработки с 60 до 97,5%. Достоинствами такой конструкции является возможность быстрой обработки СВЧ-сигналов непосредственно в сверхвысокочастотном диапазоне без их предварительной оцифровки, при этом сохраняется возможность перестройки рабочего диапазона частот путем изменения магнитного поля и малые размеры устройства. Недостатками данной конструкции является сложность расчета и регулировки весов в рамках обучения нейронной сети и сложность создания системы наномагнитов с локальным магнитным полем.
Из существующего уровня техники известно устройство (Papp A. et al. Nanoscale spectrum analyzer based on spin-wave interference //Scientific reports. – 2017. – Т. 7. – №. 1. – С. 1-9; Csaba G. et al. Methods and apparatus for spin wave-based spectrum analyzers: пат. 10613129 США. – 2020.) обработки сигнала для анализа спектра, состоящее из пленки феррита с одной стороны имеющей зубчатую структуру, работающей в линейном режиме, находящейся в однородном магнитном поле, одной возбуждающей одноэлементной полосковой антенны и нескольких одноэлементных принимающих полосковых антенн. Физический принцип работы устройства основан на принципах магноники. Полосковые одноэлементные антенны служат для возбуждения/приема СВЧ спиновых волн в пленке феррита. Постоянное магнитное поле позволяет существовать в феррите спиновым волнам, при этом величина магнитного поля определяет диапазон существования спиновых волн. Входной СВЧ-сигнал подается на вход, представляющий собой одноэлементную полосковую антенну. Входная полосковая антенна возбуждает в пленке феррита спиновые волны неравномерно, благодаря зубчатой структуре пленки со стороны входа. Спиновые волны распространяются в структуре по законам геометрической оптики и приходят к выходным одноэлементным полосковым антеннам. На антеннах спиновые волны интерферируют. Анализ спектра сигнала происходит путем анализа уровня мощности выходных сигналов, получаемых за счет интерференции спиновых волн, распространяющихся в структуре. Одна антенна служит для ввода сигнала в пленку феррита, часть антенн работает на вывод обработанного сигнала. Описанное устройство функционирует аналогично принципам работы нейронной сети, входная антенна выполняет роль входного нейрона, пленка феррита выполняет роль элементов связи между входным и выходными нейронами, выходные антенны выполняют роль выходных нейронов. Достоинством такой сети является возможность быстрой обработки СВЧ-сигналов непосредственно в сверхвысокочастотном диапазоне без их предварительной оцифровки, при этом сохраняется возможность перестройки рабочего диапазона частот путем изменения магнитного поля и малые размеры устройства. Недостатками данной конструкции является невозможность регулировки весов входных и выходных элементов, а также линейный режим работы, не позволяющий однозначно интерпретировать выходные сигналы имеющие разный уровень мощности.
Наиболее близким по технической сущности, заявляемому устройству нейроморфной обработки СВЧ-сигналов на принципах магноники, является нейроморфное устройство, описанное в (Eshaghian-Wilner M. M. Eshaghian-Wilner, M. M., Friesz, A., Khitun, A., Navab, S., Parker, A. C., Wang, K. L., & Zhou, C. Emulation of neural networks on a nanoscale architecture //Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2007. – Т. 61. – №. 1. – С. 058.). Физический принцип работы устройства основан на принципах магноники. Данное устройство представляет собой пленку феррита, работающую в линейном режиме, находящуюся в однородном магнитном поле, в которой могут распространяться спиновые волны, на поверхности которой нанесены одноэлементные полосковые волноводы, являющиеся антеннами для возбуждения и приема спиновых волн. Выходные полосковые волноводы расположены на расстоянии меньше длины волны, в ближней зоне входных полосковых волноводов.
Описанное устройство функционирует на основе принципов работы нейронной сети, входные антенны выполняют роль входных нейронов, пленка феррита выполняет роль элементов связи между входным и выходными нейронами, с линейной функцией активации, выходные антенны выполняют роль выходных нейронов. Пленка феррита используется в качестве системы связи между нейронами, через которую каждый нейрон связан со всеми остальными. При подаче сверхвысокочастотного сигнала на часть нейронов, выбранных входными, колебания магнитного поля вблизи антенн возбуждают в пленке спиновую волну, которая, распространяясь до выходных нейронов, наводит в них СВЧ-ток, пропорциональный числу входных нейронов и уровню мощности на них. Из анализа уровня мощности выходных сигналов на различных выходных нейронах делается вывод о том, соответствует ли входной сигнал тем сигналам, на которые натренирована сеть.
Достоинством такой сети является возможность быстрой обработки СВЧ-сигналов непосредственно в сверхвысокочастотном диапазоне без их предварительной оцифровки, при этом сохраняется возможность перестройки рабочего диапазона частот путем изменения магнитного поля и малые размеры устройства.
Данная известная конструкция прототипа имеет существенные недостатки. Передаточная характеристика (функция активации нейронов) является линейной, что может приводить к неоднозначности определения уровня выходного сигнала, и проблемам обучения нейронной сети, а веса нейронной сети являются одинаковыми, что делает невозможным обучение (регулировку весов) нейронной сети. Факт того, что функция активации является линейной следует из того, что в описанном прототипе конструкции не обозначены элементы выполняющие нелинейную обработку сигнала, а пленка феррита работает в линейном режиме. В этом случае сигнал, снимаемый с выходной антенны будет пропорционален сигналу, подаваемому на входную антенну (Stancil D. D., Prabhakar A. Spin waves. – New York : Springer, 2009. – Т. 5.; Калиникос Б.А., Устинов А.Б. Сверхвысокочастотные волны в пленочных ферромагнитных структурах, Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2016). Поскольку передаточная характеристика нейронной сети будет линейной, то возможно возникновение ошибок при обучении нейронной сети (Хайкин С. Нейронные сети: полный курс, 2-е издание. – Издательский дом Вильямс, 2008.). Кроме того, в приведенном примере не представлен механизм обучения нейронной сети.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является создание простого в регулировке устройства обработки СВЧ-сигнала на основе нейронной сети, способного обрабатывать сигналы непосредственно в СВЧ-диапазоне, с возможностью перестройки рабочего диапазона частот и возможностью регулировки значений весовых коэффициентов входных и выходных элементов (возможностью обучения нейронной сети).
Для решения поставленной задачи предлагаемая конструкция устройства нейроморфной обработки СВЧ-сигналов на принципах магноники, также, как и известная конструкция прототипа, состоит из пленки феррита, находящейся в однородном магнитном поле, на поверхности пленки нанесены антенны для возбуждения и приема спиновых волн, но, в отличие от известного решения, что значение нелинейного коэффициента затухания в пленке феррита такое, что пленка феррита работает в нелинейном режиме, в качестве входных и выходных антенн используются многоэлементные микрополосковые антенны, разнесенные на расстояние, обеспечивающее нахождение выходных антенн в дальней зоне входных антенн.
Технический результат заключается в создании возможности регулировки весовых коэффициентов входных и выходных нейронов и в ограничении максимального уровня выходного сигнала. Данный результат достигается за счет того, что в конструкцию введены нелинейная пленка феррита и многоэлементные антенны спиновых волн с возможностью выбора расстояния между элементами.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На Фиг. 1 приведена блок-схема нейронной сети. На Фиг. 2 представлена характеристика передачи, демонстрирующая, что пленка феррита, работающая в нелинейном режиме, выполняет ограничение мощности выходного сигнала. На Фиг. 3 приведено значение коэффициента передачи между входным и выходным нейроном при изменении расстояния между элементами антенны. На Фиг. 4 приведено значение коэффициента передачи между входным и выходным нейроном при изменении величины поля подмагничивания. На Фиг. 5 приведено сравнение огибающих сигналов на выходах сети с сетью-аналогом, описанным в (Hughes T. W. et al. Wave physics as an analog recurrent neural network //Science advances. – 2019. – Т. 5. – №. 12. – С. 6946).
Устройство обработки сигнала содержит пленку феррита, которая может быть выполнена в виде пленки железо-иттриевого граната 1, выращенной, например, на подложке гадолиний галиевого граната. Пленка феррита помещена между полюсами магнитной системы 2 во внешнее постоянное однородное магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости пленки. СВЧ-входы 3 соединены с массивом из Q многоэлементных микрополосковых антенн 4, состоящими из N элементов, находящимися над поверхностью пленки феррита (Q и N – целые числа). На расстоянии, многократно превышающем длину спиновой волны, над поверхностью пленки располагается массив из S выходных многоэлементных микрополосковых антенн 5, состоящими из M элементов (S и M – целые числа). При этом расстояние между элементами микрополосковых антенн можно задавать в процессе конструирования устройства. Выходные микрополосковые антенны соединены с СВЧ-выходами 6.
Принцип действия устройства обработки сигнала основан на следующей последовательности процессов: входной СВЧ-сигнал, поступает на входы нейронной сети, через возбуждающие многоэлементные микрополосковые антенны, возбуждает в пленке феррита СВЧ-спиновую волну, спектр которой определяется толщиной пленки феррита, направлением и величиной поля подмагничивания, спектром входного сигнала и конфигурацией входной микрополосоковой антенны. СВЧ-спиновая волна, распространяясь по законам геометрической оптики в пленке феррита, находящейся в нелинейном режиме, нелинейно затухает до некоего уровня, определяемого коэффициентами нелинейного затухания спиновой волны. Достигнув выходных антенн спиновые волны интерферируют на них и наводят в антеннах СВЧ-ток, величина которого зависит от амплитуд спиновых волн и расстояния между элементами выходной антенны. Перестройка входных и выходных коэффициентов передачи осуществляется за счет изменения расстояния между элементами микрополосковых антенн возбуждающих и принимающих спиновые волны.
d
r
L
n
m
qs
Выходной сигнал на выходе с номером “s” будет пропорционален , здесь, q и s порядковый номер входной и выходной антенны соответственно, n и m порядковый номер элементов во входной и выходной антеннах соответственно,  и  координаты элементов входных и выходных антенн относительно крайнего элемента,  – волновое число спиновой волны, определяемое законом дисперсии, – расстояние между антеннами с порядковыми номерами q и s.
Устройство работает на основе принципов работы нейронной сети, входные антенны выполняют роль входных нейронов, пленка феррита выполняет роль элементов связи между входным и выходными нейронами, с нелинейной функцией активации, выходные антенны выполняют роль выходных нейронов. Задание весовых коэффициентов нейронной сети в рамках обучения сводится к выбору правильных расстояний между элементами входных и выходных антенн.
L
Пленка феррита, работающая в нелинейном режиме и, за счет существующего в ней нелинейного затухания, дополнительно ограничивает уровень выходной мощности. Распространяющаяся в ней спиновая волна затухает пропорционально , здесь  – линейный декремент затухания,  и  – нелинейные декременты затухания,  – амплитуда спиновой волны,  – расстояние, которое прошла волна,  – групповая скорость спиновой волны (Калиникос Б. А., Устинов А. Б., Баруздин С. А. Спин-волновые устройства и эхо-процессоры //Радиотехника. – 2013. – Т. 216.). Этот факт приводит к тому, что сигналы, с различными уровнями мощности, превышающими некое пороговое значение могут прийти в конечную точку с равными амплитудами. Данный факт широко известен и описан в литературе см. Фиг. 2 (данные взяты из Устинов А. Б., Калиникос Б. А. Нелинейный сверхвысокочастотный фазовращатель на электромагнитно-спиновых волнах //Журнал технической физики. – 2014. – Т. 84. – №. 9. – С. 146-148). Таким образом, использование пленки феррита в нелинейном режиме позволяет получать одинаковый результат обработки входных сигналов различных уровней мощности. Улучшение работы нейроморфного устройства обработки СВЧ-сигнала на принципах нейронной сети за счет использования пленки феррита, работающей в нелинейном режиме продемонстрировано в (Papp A., Porod W., Csaba G. Nanoscale neural network using non-linear spin-wave interference //arXiv preprint arXiv:2012.04594. – 2020).
L
Перенос выходных антенна в дальнюю зону входных антенн осуществляется за счет того, что расстояние между антеннами многократно превышает длину волны . Факт нахождения приемной антенны в дальнем поле входной антенны позволяет избавиться от влияния размеров входной антенны на амплитуду принятой волны (Гольдштейн Л. Д., Зернов Н. В., Электромагнитные поля и волны - М. : Сов. радио, 1971. - 664 с.). Как результат возникает возможность управления весовыми коэффициентами входных и выходных антенн путем выбора расстояния между элементами антенн.
N
M
d
r
L
n
m
Рассмотрим возможность управления весовыми коэффициентами на примере изменения весовых коэффициентов простейшей конструкции, состоящей из пленки феррита, одной входной и одной выходной антенны. В случае, когда входная и выходная антенны представляют собой много элементные антенны, коэффициент передачи в пренебрежении магнитными потерями будет пропорционален , здесь  и  соответственно число элементов входных и выходных антенн,  и  координаты элементов входных и выходных антенн,  – волновое число спиновой волны, определяемое законом дисперсии,  – расстояние между входной и выходной антенной. Результаты моделирования зависимости передаточной характеристики от расстояния между элементами приведены на Фиг. 3. При расчете использовались следующие параметры: расстояние между входной и выходной антеннами составляло 3 мм, толщина пленки феррита – 100 нм, намагниченность насыщения феррита – 1760 Гс, внутреннее поле подмагничивания – 2100 Э. Такие параметры пленок достижимы на современном этапе развития технологии (Sarker M. S. et al. Multifrequency Spin-Wave Propagation for Parallel Data Processing using Microstructured Yttrium Iron Garnet Thin Films //IEEE Transactions on Magnetics. – 2021.). Расчет был произведен для частоты сигнала 5884,3 МГц. На данной частоте длина спиновой волны составляла 185 мкм. Таким образом, выходная антенна находилась в дальней зоне входной антенны.
Из Фиг. 3 видно, что изменение расстояния между антеннами на 80 мкм позволяет менять весовое значение приемной антенны от 0% до100%. Такие расстояния между элементами антенны легко реализовать на этапе проектирования и изготовления устройства, например, при создании антенн методами фотолитографии.
H
H
H
1
2
3
Возможность перестройки рабочего диапазона частот возникает вследствие того, что предлагаемое устройство работает на принципах магноники и в своем составе имеет намагниченную внешним полем пленку феррита. Величина магнитного поля определяет закон дисперсии спиновых волн и как следствие диапазон рабочих частот может быть изменен путем изменения поля подмагничивания. Результаты моделирования передаточных характеристик простейшей конструкции, состоящей из входной и выходной антенн, состоящих из двух элементов, для различных значений поля подмагничивания приведены на Фиг. 4. При расчете использовались следующие параметры: толщина пленки феррита – 100 нм, намагниченность насыщения феррита 1760 Гс, входная антенна имела расстояние между элементами – 50 мкм, выходная – 180 мкм. На Фиг. 4 обозначены:  – величина поля подмагничивания 2100 Э;  – 2100,4 Э;  – 2100,8 Э. Из Фиг. 4 видно, что для выбранных параметров расчета изменение величины магнитного поля на 0,8 Э приводит к сдвигу максимума коэффициента передачи более, чем на 2,5 МГц, а величина коэффициента передачи на частоте 5284,3 МГц изменяется в диапазоне от 100% до 0 %. Таким образом в устройстве возможна перестройка рабочего диапазона частот путем изменения магнитного поля.
В качестве примера обработки данных предложенного нейроморфного устройства можно продемонстрировать, как и в примерах (Hughes T. W. et al. Wave physics as an analog recurrent neural network //Science advances. – 2019. – Т. 5. – №. 12. – С. 6946; Papp A., Porod W., Csaba G. Nanoscale neural network using non-linear spin-wave interference //arXiv preprint arXiv:2012.04594. – 2020) возможность различать различные гласные английского алфавита. Конструкция промоделированного устройства, как и в приведенных примерах, состояла из одного входного нейрона и трех выходных нейронов. При расчете были взяты спектры трех гласных “ae”, “ei” и “iy” из примера (Papp A., Porod W., Csaba G. Nanoscale neural network using non-linear spin-wave interference //arXiv preprint arXiv:2012.04594. – 2020). Спектры гласных подавались на умножитель частоты (устройство сжатия импульсов), умножавший сигнал на 1000, далее полученный сигнал модулировал СВЧ-сигнал, который подавался на входной нейрон (входную антенну спиновых волн), на выходных измерялся уровень мощности, соответствующий каждой гласной букве.
а
б
Как и в примере, входной сигнал, соответствующий каждой букве должен приводить к выходному сигналу только на заданном выходе. Результаты сопоставления выходных сигналов для каждой гласной в моделируемой сети и в примере показаны на Фиг. 5. На Фиг. 5. в левом столбце (столбец ) приведены огибающие выходного сигнала – результат обработки гласных из примера (Papp A., Porod W., Csaba G. Nanoscale neural network using non-linear spin-wave interference //arXiv preprint arXiv:2012.04594. – 2020). В правом столбце (столбец ) представлены огибающие – результат обработки данных в предложенной конструкции. При расчете использовались следующие параметры: расстояние между выходными и входной антеннами составляло 3 мм, толщина пленки феррита – 100 нм, намагниченность насыщения феррита 1760 Гс, внутреннее поле подмагничивания, направленное перпендикулярно поверхности пленки – 2100 Э, расстояние между антеннами на входе 520 мкм, расстояние между приемными антеннами на выходах составляло 885 мкм, 1020 мкм и 615 мкм. Частота несущей СВЧ сигнала составляла 5881 МГц, что соответствовало длине волны 725 мкм. Таким образом, выходная антенна находилась в дальней зоне входной антенны.
Видно, что в предложенной конструкции улучшилась разница между уровнями выходных сигналов, соответствующих различным буквам для различных нейронов. Таким образом на основе предложенной конструкции возможно реализовать простое в настройке устройство обработки СВЧ-сигнала на основе нейронной сети, способное обрабатывать сигналы непосредственно в СВЧ диапазоне, с возможностью перестройки рабочего диапазона частот и возможностью выбора значений весовых коэффициентов входных и выходных элементов (возможностью обучения нейронной сети).