Práce českého vědce Ondřeje Wojewody z CEITEC VUT by mohla vést k výrazně nižší energetické náročnosti umělé inteligence. V té lidstvo v posledních letech díky GPT, LLM, čipům od Nvidie a podobně udělalo velký pokrok, stále jsou ale nutná obrovská datacentra tak energeticky náročná, že si Microsoft, Google a další firmy chtějí stavět vlastní jaderné elektrárny.
Wojewoda v disertační práci představil možné řešení. Pomocí Mieho rezonancí v dielektrických materiálech vyvinul metodu, která umožňuje efektivní měření krátkých spinových vln běžnou laboratorní technikou. To má přinést zásadní posun v dostupnosti výzkumu spinových vln, které mají potenciál stát se klíčovou platformou pro energeticky efektivní přenos a zpracování dat s využitím v oblasti AI. Nabízí se také další oblasti jako medicína nebo mechano-biologie.
CEITEC Wojewodovu práci popisuje takto:
Jednou z perspektivních cest ke snížení energetické náročnosti AI, zejména LLM, je přechod od klasické von Neumannovy architektury k novým technologiím využívajícím vlnové systémy. Spinové vlny se v tomto kontextu jeví jako slibný kandidát – umožňují snadnou integraci do stávajících technologií a poskytují přirozenou nelinearitu, klíčovou pro správné fungování AI (v současných implementacích tuto funkci zajišťují aktivační funkce). Hlavní výzvou pro implementaci spinových vln do funkčních čipů je však jejich miniaturizace. Krátké spinové vlny s délkami pod 400 nm lze aktuálně měřit pouze pomocí synchrotronů, což je nákladné, časově náročné, a tudíž zpomaluje další vývoj v této oblasti.
Pod vedením Michala Urbánka, vedoucího výzkumné infrastruktury CEITEC Nano, se tomuto problému věnoval v rámci svého doktorátu Ondřej Wojewoda s kolegy. Ve své disertační práci Ondřej vyvinul novou metodologii, která tento problém řeší využitím tzv. Mieho rezonancí v dielektrických materiálech a umožňuje tyto krátké spinové vlny měřit za pomoci standardního laboratorního vybavení zvaného Brillouinova spektroskopie světla (BLS). Tato technika otevírá cestu nejen k dalšímu rozvoji spinových vln jako energeticky efektivní technologie pro AI, ale nachází uplatnění i v dalších oblastech. Díky teoretickému popisu a praktické implementaci Mieho rezonancí má tato technika také potenciál významně přispět k pokroku v medicínských a mechano-biologických aplikacích, kde BLS v současnosti zažívá ohromný rozkvět, například v oblasti včasné diagnostiky očních vad.
Spinové vlny (magnony) mají potenciál být použity jako nová platforma pro přenos a zpracování dat, protože mohou dosáhnout vlnových délek v rozsahu nanometrů a frekvencí od stovek megahertz až po jednotky terahertz. Doteď bylo ovšem možné zobrazovat spinové vlny s vlnovými délkami pod difrakčním limitem světla pouze pomocí rentgenové mikroskopie s použitím velkých urychlovačů částic. V Evropě jsou například synchrotronové urychlovače schopné měřit spinové vlny jen na dvou místech – Berlíně a Zürichu. Toto omezení razantně zpomaluje a zdražuje výzkum a vývoj zařízení založených na spinových vlnách. Během svého doktorského studia proto Ondřej hledal možnosti, jak tento problém překonat.
Využitím Mieho rezonancí v dielektrických strukturách můžeme měřit spinové vlny se srovnatelnými vlnovými délkami pomocí standardní optické sestavy určené pro měření mikroskopie Brillouinova rozptylu světla. Wojewoda celý proces studoval na silikonovém disku umístěném na vrstvě nikl-železa. Tato technika může být upravena pro získání rozlišení pro vlnové délky krátké až 50 nm v rovině vzorku pomocí pole silikonových proužků se subdifrakční periodou. V poslední části své práce se Ondřej věnoval měření koherentně vybuzených spinových vln, kde demonstroval fázové rozlišením změřením disperzní relace spinových vln.
Jak vlastně Ondřejův výzkum probíhal? Využití plazmonických rezonancí i v Brillouinově rozptylu bylo pro Ondřeje při volbě tématu na doktorát přirozeným krokem, protože Brillouinův rozptyl je podobný rozptylu Ramanově a v Ramanově rozptylu se plazmonické rezonance často využívají zesílení signálu.
Jelikož však byl Ondřej a jeho spolupracovníci nováčky v oblasti Brillouinova rozptylu, nebyli si vědomi, že podobný přístup již dříve zkoušelo několik týmů, ale bez úspěchu. Při svém prvním pokusu však tým získal výborné výsledky, které bohužel nedokázali opakovat. Díky pokročilým možnostem nanocharakterizace, které jsou dostupné v CEITEC Nano, bylo zjištěno, že na vzorcích nejsou kovové částice, jak se původně plánovalo, ale místo toho křemíkový „bordel“, který na vzorky neúmyslně napadal.
Tento objev Ondřeje dovedl k vytvoření nových křemíkových rezonátorů, se kterými se jemu a jeho kolegům jako prvním podařilo nejen zesílit signál, ale také rozšířit detekční schopnosti Brillouinova rozptylu na velmi malé vlnové délky pod 50 nm. Prezentované výsledky mají potenciál zásadne změnit paradigma výzkumu v oblasti fyziky pevných látek a mechano-biologie.
Ondřejova metoda je replikovatelná, podobných výsledků mohou nyní dosahovat týmy po celém světě – stačí jim k tomu jen nanofabrikační laboratoř a optická sestava pro měření Brillouinova rozptylu světla. To je zásadní pokrok; jak jsme uvedli výše, dříve vědci byli schopni zobrazit spinové vlny na úrovni nanometrů pouze v synchrotronových urychlovačích, které jsou prostorově i finančně náročné. Díky využití BLS pro měření spinových vln se tak magnonika stává mnohem kompetitivnější.
Ondřej Wojewoda obdržel Ceny Hlávkovy nadace. Nadále bude působit na CEITEC VUT a díky grantu od Grantové agentury ČR na dva roky zamíří na postdoktorskou stáž na MIT, kde se bude věnovat výzkumu nereciprokých magnetických materiálů pro využití v mikrovlnných technologiích.
ČLÁNKY DO MAILU