Лаборатория «Нейроморфные оптические системы»

Бычков Евгений Алексеевич Россия

Номер договора

075-15-2019-1950

Период реализации проекта

2019-2021

Сайт лаборатории

Ожередов Илья Александрович

По данным на 01.11.2022

научных публикаций

Объектов интеллектуальной собственности

Поиск новых архитектур нейроморфных вычислений, имитирующих подход человеческого мозга к одновременной обработке и хранению информации, является одной из ключевых задач современной науки. В отличие от обычных вычислительных систем, мозг человека содержит большое количество нейронов с синапсами, каждый из которых выступает и как вычислительная единица, и как единица памяти. К сожалению, даже самые мощные современные суперкомпьютеры проигрывают мозгу во многих отношениях, что является следствием наличия узких мест в архитектуре вычислительных систем. Эти узкие места ограничивают скорости передачи и обработки информации, и для моделирования работы участков мозга даже в режиме замедленного времени требуется в миллионы раз большая энергия, чем мозгу для выполнения тех же самых операций. Для решения этой задачи сотрудники лаборатории рассматривают интегральную волоконную оптику как основу для создания широкополосных искусственных нейронов, во многом идентичных своим биологическим аналогам. В роли синапса может выступать оптический интерфейс в области перекрестия оптического волокна и оптически активного материала. Подходящим кандидатом в качестве такого материала могут выступать фазоизменяемые халькогенидные стекла.

Название проекта:

Нейроморфные оптические системы на базе фазоизменяемых материалов

Цель проекта:

Создание междисциплинарной лаборатории «Нейроморфные оптические системы» мирового уровня и проведение фундаментальных и прикладных исследований в области разработки материалов с оптической памятью и феноменологических подходов применения их функциональных возможностей в синапс-подобных структурах и интегральных оптических нейроморфных системах на их основе

Направления исследований:

Информатика - искусственный интеллект

Научные результаты:

В фазоизменяемых материалах (ФИМ) обнаружен новый ранее неизвестный для халькогенидных, оксидных и галогенидных соединений эффект нанотектонического сжатия, состоящий в кристаллизации металлической фазы высокого давления (4-8 ГПа) в аморфной матрице ФИМ. Этот эффект позволяет значительно увеличить оптический и электрический контраст между состояниями SET и RESET, снизить энергозатраты на многоуровневую запись информации, а также разработать новые ФИМ для нейроморфных оптических систем и энергонезависимой памяти.

Используя низкотемпературную сублимацию, на основе сульфидов и теллуридов галлия получены новые перспективные ФИМ, которые могут быть использованы в широком спектральном диапазоне от среднего ИК до видимой области спектра и при высоких температурах.
Впервые получен объемный стеклообразный GeTe₂, как исходный материал для ФИМ следующего поколения с быстрой локальной диффузией.
Продемонстрирована возможность создания синапса терагерцового (ТГц) диапазона на основе сопряженного с волноводом кольцевого резонатора с высокой добротностью. Возможность изменения параметров передаточной функции ТГц синапса позволит использовать его для реализации сенсорных функций в интегрированных нейроморфных системах сбора и обработки информации.
Предложен дизайн реконфигурируемых метаповерхностей на базе новых ФИМ для разработки и создания управляемых сенсорных элементов ИК и ТГц диапазона.

Образование и переподготовка кадров:

Организована и ежегодно проводится международная конференция «Материалы для нейроморфных систем».
При подготовке научно-педагогических кадров в аспирантуре ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН реализуются разработанные сотрудниками лаборатории новые образовательные программы.

Организационные и инфраструктурные преобразования:

На базе лаборатории построен инфраструктурный комплекс чистых помещений. Создан и функционирует уникальный лазерно-измерительный комплекс на базе перестраиваемой фемтосекундной лазерной системы Astrella и оптического параметрического усилителя Topas, с многоканальной системой регистрации от УФ до среднего ИК диапазона.

На вычислительной базе ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН установлено программное обеспечение и отлажена эффективная платформа моделирования из первых принципов, позволяющая использовать молекулярную динамику как со стандартными, так и гибридными функционалами; молодые сотрудники лаборатории обучены использованию моделирования из первых принципов.

Сотрудничество:

В сотрудничестве с ведущими мировыми научными центрами на установках класса «Мегасайенс» (синхротроны 3-го поколения и импульсные нейтронные источники) проводятся структурные исследования новых ФИМ.

Скрыть Показать полностью

Sinko, A.; Ozheredov, I.; Rudneva, E.; Manomenova, V.; Kozlova, N.; Lobova, N.; Voloshin, A.; Coutaz, J.-L.; Shkurinov, A.

Perspective on Terahertz Applications of Molecular Crystals. Electronics 2022, 11, 2731. https://doi.org/10.3390/electronics11172731

Rayan Zaiter, Mohammad Kassem, Daniele Fontanari, Anton Sokolov, Takeshi Usuki, Maria Bokova, Alex C. Hannon, Chris J. Benmore, Fabrice Cousin, Ilya Ozheredov, Eugene Bychkov

Unexpected role of metal halides in a chalcogenide glass network, Materials & Desig, Volume 216, 2022,110547, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110547.

Alexei V. Balakin, Vladimir B. Gildenburg, Vyacheslav M. Gordienko, Nikolay A. Kuzechkin, Timur A. Semenov, Petr M. Solyankin, Ivan A. Pavlichenko, Yiming Zhu, and Alexander P. Shkurinov

"Directional terahertz beam generation under interaction of an intense femtosecond laser pulse with a cluster jet," J. Opt. Soc. Am. B 38, 3515-3522 (2021).

A.Tverjanovich, M.Khomenko, C.J.Benmore, M.Bokova, A.Sokolov, D.Fontanari, M.Kassem, T.Usuki, and E.Bychkov

Bulk Glassy GeTe2: A Missing Member of the Tetrahedral GeX2 Family and a Precursor for the Next Generation of Phase-Change Materials, Chem. Mater. 2021, 33, 1031–1045, DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c04409.

L.Parshina, O.Novodvorsky, O.Khramova, D.Gusev, A.Polyakov, V.Mikhalevsky, E.Cherebilo

Laser synthesis of non-volatile memristor structures based on tantalum oxide thin films, Chaos, Solitons and Fractals 2021, 142, 110460, DOI: 10.1016/j.chaos.2020.110460

A.Tverjanovich, M.Khomenko, S.Bereznev, D.Fontanari, A.Sokolov, T.Usuki, K.Ohara, D.Le Coq, PMasselin, and E.Bychkov

Glassy GaS: transparent and unusually rigid thin films for visible to mid-IR memory applications, Phys. Chem. Chem. Phys. 2020, 22, 25560-25573, DOI: 10.1039/D0CP04697C

V.V.Ionin, A.V.Kiselev, N.N.Eliseev, V.A.Mikhalevsky, M.A.Pankov, and A.A.Lotin

Multilevel reversible laser-induced phase transitions in GeTe thin films, Appl. Phys. Lett. 2020, 117, 011901, DOI: 10.1063/5.0014375

J.Xie, X.Zhu, H.Zhang, X.Zang, L.Chen, A.V.Balakin, A.P.Shkurinov, and Y.Zhu

Terahertz-frequency temporal differentiator enabled by a high-Q resonator, Optics Express 2020, 28, 7898, DOI: 10.1364/OE.387775

N.N.Eliseev, A.V.Kiselev, V.V.Ionin, V.A.Mikhalevsky, A.A.Burtsev, M.A.Pankov, D.N.Karimov, A.A.Lotin

Wide range optical and electrical contrast modulation by laser-induced phase transitions in GeTe thin films, Results in Physics 2020, 19, 103466, DOI: 10.1016/j.rinp.2020.103466

Petr M.Solyankin, Bogdan V.Lakatosh, Mikhail S.Krivokorytov, Ilia P.Tsygvintsev, Anton S.Sinko, Igor A.Kotelnikov, Vladimir A.Makarov, Jean-Louis Coutaz, Vyacheslav V.Medvedev, and Alexander P.Shkurinov

Single Free-Falling Droplet of Liquid Metal as a Source of Directional Terahertz Radiation, Physical Review Applied 2020, 14, 034033, DOI: 10.1103/Phys Rev Applied.14.034033

Yinghao Yuan, Bbingshuang Yao, Jiawei Cao, Xiaofei Zang, Dahai Yu, Alexei V.Balakin, Alexander P.Shkurinov, and Yiming Zhu

Geometry phase for generating multiple focal points with different polarization states, Optics Express 2020, 28, 28452, DOI: 10.1364/OE.402430

Y.X.Ren, X.G.Guo, G.X.Zhang, A.V.Balakin, A.P.Shkurinov, A.Q.Yu, Y.M.Zhu

Excitation of graphene surface plasmons polaritons by guided-mode resonances with high efficiency, Optics express 2020, 28, 13224-13233, DOI: 10.1364/OE.391237

Лаборатория, принимающая организация	Область наук	Город	Приглашенный ученый	Период реализации проекта
Лаборатория «Гибридные методы моделирования и оптимизации в сложных системах» Сибирский федеральный университет - (СФУ)	Компьютерные и информационные науки	Красноярск	Станимирович Предраг Стеван Сербия	2022-2024
Лаборатория «Исследование сетевых технологий с ультра малой задержкой и сверхвысокой плотностью на основе широкого применения искусственного интеллекта для сетей 6G» Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича	Компьютерные и информационные науки	Санкт-Петербург	Абд Эль-Латиф Ахмед Абдельрахим Египет	2022-2024
Лаборатория нелинейной и микроволновой фотоники Ульяновский государственный университет - (УлГУ)	Компьютерные и информационные науки	Ульяновск	Тейлор Джеймс Рой Великобритания, Ирландия	2021-2023