12. Januar 2024
(Nanowerk-Scheinwerfer) Da unsere digitalen Geräte immer komplexere Berechnungen durchführen, haben Wissenschaftler die Physik als Inspiration für neue Computerparadigmen herangezogen. Anstatt elektrische Signale wie herkömmliche Prozessoren über Silizium zu übertragen, kodiert ein faszinierender Ansatz Informationen in elektromagnetischen oder akustischen Wellen, die sich durch den Raum ausbreiten. Diese wellenbasierten Computer können Probleme mit unglaublicher Geschwindigkeit lösen – theoretisch bis zur Lichtgeschwindigkeit. Eine solche extreme Geschwindigkeit entsteht, weil die Datenverarbeitung intrinsisch innerhalb des Wellenmediums durch absichtliche Interferenzmuster erfolgt. Es gibt keine kaskadierten Logikgatter, die die Leistung beeinträchtigen wie in digitalen Schaltkreisen. Wellenformen enthalten sowohl Amplituden- als auch Phasendaten und erweitern so die Informationskapazität im Vergleich zu einfachen Ein-Aus-Binärziffern. Und ohne dass wiederholte Analog-Digital-Konvertierungen erforderlich sind, vermeiden Wave-Computer einen großen Engpass, der die Entwicklung traditioneller Computerarchitekturen einschränkt. Experten haben jahrelang versucht, praktische wellenbasierte Systeme zu entwickeln, aber inhärente Herausforderungen in Bezug auf Komplexität, Anpassbarkeit und Herstellbarkeit haben den Fortschritt gehemmt. Die Realisierung praktischer wellenbasierter Computer hat sich als enorm schwierig erwiesen. Frühere Konzepte erforderten komplexe Optimierungsalgorithmen, die zu nicht herstellbaren Designs führten. Alternative Ansätze, die auf konfigurierbaren Schaltkreisanordnungen basieren, erforderten eine unpraktische Anzahl von Phasenschiebern und Verstärkern. Alle diese Setups waren anwendungsspezifisch und es fehlte ihnen an Flexibilität für eine umfassende Problemlösung. Jetzt ist Wissenschaftlern der Southeast University in China ein großer Durchbruch gelungen Metaoberflächen – eine photonische Schlüsseltechnologie, die eine revolutionäre Kontrolle über elektromagnetische Wellen verspricht. Ihr bahnbrechender Metaoberflächencomputer führt effektiv schnelle analoge Matrixberechnungen durch, die viel schnellere digitale Supercomputer lahmlegen würden.
Schematische Darstellung des Metaoberflächen-basierten CME-Lösers, der aus einem 2N-Port-Übertragungsnetzwerk und N identischen 4-Port-Kopplern besteht. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) (zum Vergrößern auf das Bild klicken) Das Team berichtet über seine Ergebnisse in Fortgeschrittene Funktionsmaterialien („Komplexer Matrixgleichungslöser basierend auf computergestützter Metaoberfläche“).
Matrixgleichungen spielen in Wissenschaft und Technik eine herausragende Rolle und modellieren alles von Optimierern für maschinelles Lernen bis hin zu Simulationen der Strukturmechanik. Ihre digitale Lösung erfordert erhebliche Rechenleistung, was das starke Interesse an analogen, wellenbasierten Architekturen weckt.
Der Kern des neuen Metaoberflächenlösers liegt in seiner rechnerischen elektromagnetischen Oberfläche, die aus einem Gitter aus 1,176 sorgfältig abgestimmten Elementen besteht, die die Amplitude und Phase einfallender Wellen modifizieren. Dieses umprogrammierbare nanophotonische Medium wandelt Eingangssignale aktiv in gewünschte Ausgangsdaten um und bettet die Mathematik physisch in die Metaoberfläche ein.
Um den Löser zu betreiben, werden komplexe Matrixgleichungen in zwei Komponenten umgewandelt – eine Koeffizientenmatrix und einen konstanten Vektor. Diese Daten werden auf elektromagnetische Wellen übertragen, die an zwei Eingangsanschlüssen eintreten. Während sich die Signale durch die Metaoberflächenregion ausbreiten, unterliegen sie komplizierten Interferenzberechnungen über Streureflexionen. Das Endergebnis erscheint an den Ausgangsanschlüssen, kodiert in ausgehende Wellen.
Bemerkenswert ist, dass dieser gesamte Prozess fast augenblicklich abgeschlossen ist, wenn die Wellen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit durch den Aufbau laufen. Es gibt keine systematischen Logikgatterverzögerungen wie bei digitalen Prozessoren. Der Metaoberflächencomputer verbraucht außerdem weit weniger Strom als Siliziumäquivalente, was die Betriebskosten erheblich senkt.
Entscheidend ist, dass das Funktionsprinzip die Lösung beliebiger komplexer Matrixgleichungen durch einfaches Variieren des Metaoberflächendesigns und der Eingangssignale ermöglicht. Somit passt sich dieselbe Hardwareplattform an unterschiedliche Probleme an, ohne dass grundlegende Änderungen an der Architektur erforderlich sind. Diese Programmierbarkeit bietet eine erhebliche Vielseitigkeit, die bei Computern früherer Generationen fehlte, die selbst für grundlegende mathematische Operationen maßgeschneiderte Designs benötigten.
Da sich die Abstimmung einzelner Metaoberflächenelemente bisher als schwierig erwiesen hat, demonstriert der aktuelle Prototyp einen nicht rekonfigurierbaren Löser für feste Gleichungen. Der rasche Fortschritt in der dynamischen Metaoberflächentechnologie deutet jedoch auf vollständig softwaredefinierte Metaoberflächencomputer hin, die Forscher bei Bedarf neu konfigurieren. In dem Papier wird auch darauf hingewiesen, dass der Betrieb bei höheren Frequenzen die Gesamtgröße verringern würde, sodass größere Metaoberflächen größere Matrixberechnungen lösen könnten.
Darüber hinaus macht die skalierbare planare Geometrie von Metaoberflächen eine Erweiterung der Architektur praktikabler als frühere 3D-Metamaterialstrukturen, die für Wellenberechnungen versucht wurden. Bei einer robusten Entwicklung könnten solche schnell rekonfigurierbaren Metaoberflächenmatrixlöser Sektoren, die umfangreiche numerische Analysen erfordern, von der Wettervorhersage bis zur Optimierungsforschung deutlich verändern.
Der bahnbrechende Metaoberflächenlöser schlägt eine lang erwartete Brücke zwischen Echtzeit-Wave-Computing und praktischer Programmierbarkeit. Während der erste Prototyp eine begrenzte Matrixgröße von 5 x 5 unterstützt, könnten mehr Elemente höhere Dimensionen aufzählen. Tatsächlich macht die skalierbare planare Geometrie von Metaoberflächen die Lösung großer Probleme einfacher realisierbar als sperrige 3D-Metamaterialstrukturen, die zuvor versucht wurden.
Die Forscher validierten ihr Design umfassend durch Simulationen und Messungen und lösten mehrere Testmatrixgleichungen genau. In vier Simulationstestfällen lieferte der Metacomputer Lösungen mit relativ niedrigen Fehlerraten von durchschnittlich 21 %. Die Experimente an einem gefertigten Prototyp bestätigten weiter die Machbarkeit der Architektur für eine 3×3-Matrix und berechneten erfolgreich Lösungen für acht verschiedene Matrixprobleme. Quantitativ wiesen diese gemessenen Lösungen im Durchschnitt einen Fehler von weniger als 25 % auf – auf Augenhöhe mit anfänglichen Benchmarks konkurrierender elektronischer Analogrechnersysteme. Die häufigsten Fehler resultierten aus Toleranzen bei der Nanofabrikation und Schwierigkeiten beim präzisen Lesen der Ausgabedaten.
Beide Faktoren dürften sich durch den Einsatz modernster Mikro-Nanofabrikationsanlagen und hochpräziser Messgeräte erheblich verbessern. Mit weiterer Verfeinerung könnten Metaoberflächencomputer digitale Techniken für spezielle Aufgaben übertreffen, die extreme Geschwindigkeiten erfordern.
Mit weiterer Verfeinerung könnten Metaoberflächencomputer digitale Prozessoren für spezielle Aufgaben übertreffen, die extreme Geschwindigkeiten erfordern, wie Radarbildgebung, wissenschaftliche Modellierung und Datenanalyse. Interessanterweise eignen sich ihre hohen Wirkungsgrade möglicherweise auch für Edge-Computing-Anwendungen mit geringem Stromverbrauch. Die bahnbrechende Arbeit legt wichtige Grundlagen für das Metasurface-Computing, indem sie bisherige Engpässe in Bezug auf Komplexität, Anpassbarkeit und physische Realisierbarkeit beseitigt.
– Michael ist Autor von drei Büchern der Royal Society of Chemistry:
Nano-Gesellschaft: Grenzen der Technologie überschreiten,
Nanotechnologie: Die Zukunft ist winzig und
Nanoengineering: Die Fähigkeiten und Werkzeuge, die Technologie unsichtbar machen
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