Физики СПбГУ создали архитектуру для сверхбыстрых нейросетей нового поколения

За короткий срок искусственные нейронные сети стали одним из ключевых драйверов технологического развития во всем мире. Они привлекают внимание специалистов и находят применение в широком перечне направлений, поскольку эффективно справляются с задачами распознавания образов, принятия решений и анализа больших объемов данных. Все это не только стимулирует, но и значительно ускоряет развитие здравоохранения, автономной робототехники и других отраслей. 

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Light: Science & Applications.

Традиционные нейросети используют архитектуру фон Неймана — модель компьютерной структуры, где данные и программы хранятся в общей памяти, а обработка информации происходит последовательно через центральный процессор. Такая система налагает ряд ограничений, главное из которых связано с физическим разделением вычислительного и запоминающего блоков — центрального процессора и оперативной памяти. Это приводит к существенному снижению скорости обмена данными и увеличению энергопотребления. Именно поэтому ученые считают, что потенциал нейросетей раскрыт не до конца.

Руководитель лаборатории оптики спина Санкт‑Петербургского государственного университета, главный научный сотрудник Университета Алексей Кавокин и старший научный сотрудник лаборатории Евгений Седов разработали нейроморфную архитектуру на основе двумерных решеток «световых капель», которая способна быстро и достоверно распознавать рукописные и голосовые команды.

Строительными блоками для такой системы служат бозонные конденсаты экситон‑поляритонов (или просто поляритоны — частицы, образованные при взаимодействии фотонов и экситонов, возбуждений в полупроводниках). Они обладают свойствами света и способны контактировать друг с другом, поэтому их иногда называют «квантами жидкого света».

Руководитель лаборатории оптики спина СПбГУ, главный научный сотрудник Университета Алексей Кавокин

«Когда поляритоны собираются вместе, они могут образовать особое коллективное состояние — конденсат Бозе — Эйнштейна. Если два таких конденсата находятся рядом, они начинают обмениваться частицами и создают узор из светлых и темных полос. Лазерный луч может изменить этот узор, превращая светлые полосы в темные — и наоборот. Это изменение используется как выходной сигнал, поэтому такие структуры работают как искусственные нейроны в нейронной сети», — рассказал Алексей Кавокин.

Исследовательская лаборатория оптики спина имени И. Н. Уральцева создана в рамках мегагранта Правительства Российской Федерации в 2011 году. В настоящее время в составе коллектива более 40 сотрудников, большинство из которых являются молодыми учеными, включая 8 кандидатов наук (PhD СПбГУ). Лабораторией руководит Алексей Кавокин, который входит в число 2 % самых цитируемых ученых мира, является лауреатом множества международных премий. Ученые занимаются одним из важнейших направлений в Университете, что было отражено в документальном фильме «Первый университет».

Предложенная физиками СПбГУ архитектура относится к классу бинарных нейросетей (Binary Neural Networks, BNN), работающих с двоичными входными и выходными сигналами нейронов. В отличие от традиционных решений, оперирующих непрерывными переменными, BNN быстрее обрабатывают информацию и требуют меньше памяти, чем обычные нейронные сети. Благодаря этому такие сети потребляют меньше энергии и лучше масштабируются. Эти особенности делают их подходящими для устройств с ограниченным энергоресурсом — например, для интернета вещей или периферийных вычислений, где важна скорость и эффективность, а высокая точность не так критична. 

Дмитрий Чернышенко: Научные центры мирового уровня обеспечивают быстрый выход технологий на рынок

Данную архитектуру протестировали на основе решения двух задач. Первая из них заключается в распознавании рукописных цифр крупнейшей базы данных MNIST. Точность распознания системы, разработанной учеными СПбГУ, превысила 97,5 %. Для оценки адаптивности и универсальности сети при работе с различными типами данных она была проверена на наборе Speech Commands для распознавания голосовых команд. Разработка ученых Санкт‑Петербургского университета здесь также превзошла все существующие решения и методы.

Санкт‑Петербургский государственный университет — старейший университет России — был основан 28 января (8 февраля) 1724 года, когда Петр I издал указ об учреждении Университета и Российской академии наук. Сегодня СПбГУ — научный, образовательный и культурный центр мирового уровня. В 2024 году Санкт‑Петербургский университет отметил свой 300‑летний юбилей.

План мероприятий в рамках празднования юбилея Университета был утвержден на заседании оргкомитета по празднованию 300‑летия СПбГУ, которое провел заместитель председателя Правительства РФ Дмитрий Николаевич Чернышенко. Среди таких мероприятий — присвоение малой планете имени в честь СПбГУ, выпуск банковских карт со специальным дизайном, брендирование самолета авиакомпании «Россия» и многое другое. В честь 300‑летия Санкт‑Петербургского государственного университета в почтовое обращение вышла марка, на которой изображены здание Двенадцати коллегий и памятник графу С. С. Уварову. Также с космодрома Байконур была запущена ракета «Союз» с символикой Университета.

По решению губернатора Санкт‑Петербурга Александра Дмитриевича Беглова 2024 год в Северной столице объявлен годом Санкт‑Петербургского университета. В день 300‑летия СПбГУ на Ростральных колоннах зажгли факелы. Дворцовый мост украсили флаги Университета, а общественный транспорт — его символика. В мае 2024 года Университет впервые принял участие в праздновании Дня города и стал отдельной площадкой для мероприятий. Также СПбГУ запустил сайт, посвященный юбилею, с информацией о выдающихся универсантах, научных достижениях и подробностях празднования.