Нейроморфные вычисления и генерация магнитного поля Земли

Структура Земли. Автор: B. Schröder/HZDR/NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio

Метод, представленный в Трудах Национальной академии наук, моделирует не только поведение атомов, но и магнитные свойства материалов. Подход имеет важное значение для геофизики и может поддержать развитие нейроморфных вычислений — подхода к более эффективным системам ИИ.

Магнитное поле Земли необходимо для поддержания жизни, поскольку оно защищает планету от космической радиации и солнечного ветра. Оно создается эффектом геодинамо. «Мы знаем, что ядро Земли в основном состоит из железа», — объясняет Аттила Канги, руководитель отдела машинного обучения для проектирования материалов в CASUS.

«По мере приближения к ядру Земли и температура, и давление увеличиваются. Повышение температуры приводит к плавлению материалов, в то время как повышение давления сохраняет их в твердом состоянии. Из-за особых условий температуры и давления внутри Земли внешнее ядро находится в расплавленном состоянии, в то время как внутреннее ядро остается твердым».

Электрически заряженное жидкое железо течет вокруг твердого внутреннего ядра, движимое вращением Земли и конвекционными токами. Эти движения производят электрические токи, которые, в свою очередь, генерируют магнитное поле планеты.

Однако важные вопросы о ядре Земли остаются без ответа. Например, какова точная структура его ядра? И какую роль играют дополнительные элементы, которые, как считается, присутствуют вместе с железом? Оба фактора могут оказать глубокое влияние на эффект геодинамо.

Подсказки приходят из экспериментов, в ходе которых ученые посылают сейсмические волны через Землю и измеряют их «эхо» с помощью высокочувствительных датчиков. «Эти эксперименты показывают, что ядро содержит не только железо», — говорит Святослав Николов из Sandia National Laboratories, ведущий автор исследования. «Измерения не согласуются с компьютерным моделированием, которое предполагает чистое железное ядро».

Моделирование ударных волн на компьютере

Исследовательская группа достигла значительного прогресса, разработав и протестировав новый метод моделирования. Ключевое новшество метода, называемого молекулярно-спиновой динамикой, заключается в интеграции двух ранее отдельных подходов к моделированию: молекулярной динамики, которая моделирует движение атомов, и спиновой динамики, которая учитывает магнитные свойства.

«Объединив эти два метода, мы смогли исследовать влияние магнетизма в условиях высокого давления и высокой температуры на масштабах длины и времени, которые ранее были недостижимы», — подчеркивает физик CEA Жюльен Транчида.

В частности, команда смоделировала поведение 2 миллионов атомов железа и их спинов, чтобы проанализировать динамическое взаимодействие между механическими и магнитными свойствами. Исследователи также использовали искусственный интеллект (ИИ), используя машинное обучение для определения силовых полей — взаимодействий между атомами — с высокой точностью. Разработка и обучение этих моделей требовали высокопроизводительных вычислительных ресурсов.

После того, как модели были готовы, исследователи провели фактическое моделирование: цифровая модель из 2 миллионов атомов железа, представляющая ядро Земли, была подвергнута воздействию температурных и давленческих условий, обнаруженных в недрах Земли. Это было сделано путем распространения волн давления через атомы железа, имитируя их нагревание и сжатие.

Когда скорость этих ударных волн была ниже, железо оставалось твердым и принимало различные кристаллические структуры. Когда ударные волны были быстрее, железо становилось в основном жидким. В частности, исследователи обнаружили, что магнитные эффекты существенно влияют на свойства материала.

«Наши расчеты хорошо согласуются с экспериментальными данными, — говорит Митчелл Вуд, материаловед из Национальной лаборатории Сандия, — и они предполагают, что при определенных условиях температуры и давления определенная фаза железа может стабилизироваться и потенциально влиять на геодинамо».

Эта фаза, известная как фаза BCC, не наблюдалась экспериментально в железе в этих условиях, а только предполагалась. Если подтвердится, результаты метода молекулярно-спиновой динамики могут помочь решить несколько вопросов об эффекте геодинамо.

Внедрение энергоэффективного ИИ

Помимо раскрытия новых деталей о недрах Земли, этот метод также имеет потенциал для стимулирования технологических инноваций в материаловедении. Как в своем отделе, так и посредством внешнего сотрудничества, Канги планирует использовать эту технику для моделирования нейроморфных вычислительных устройств.

Это новый тип оборудования, вдохновленный работой человеческого мозга, который однажды сможет обрабатывать алгоритмы ИИ быстрее и более энергоэффективно. Благодаря цифровой репликации спиновых нейроморфных систем новый метод моделирования может поддержать разработку инновационных и эффективных аппаратных решений для машинного обучения.

Хранение данных открывает второе перспективное направление для дальнейших исследований: магнитные домены вдоль крошечных нанопроводов могут служить носителями информации, которые работают быстрее и потребляют меньше энергии, чем традиционные технологии.

«В настоящее время нет точных методов моделирования для обоих приложений», — говорит Канги. «Но я уверен, что наш новый подход может моделировать требуемые физические процессы настолько реалистичным образом, что мы сможем значительно ускорить технологическую разработку этих ИТ-инноваций».

Больше информации: Svetoslav Nikolov et al, Probing iron in Earth's core with molecular-spin dynamics, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2408897121

Источник: Helmholtz Association of German Research Centres