12 de enero de 2024
(Proyector Nanowerk) A medida que nuestros dispositivos digitales manejan cálculos cada vez más complejos, los científicos han buscado inspiración en la física para nuevos paradigmas informáticos. En lugar de transmitir señales eléctricas a través del silicio como lo hacen los procesadores convencionales, un enfoque intrigante codifica información en ondas electromagnéticas o acústicas que se propagan a través del espacio. Estas computadoras basadas en ondas pueden resolver problemas a velocidades increíbles, en teoría hasta la velocidad de la luz. Esta velocidad extrema se debe a que el procesamiento de datos ocurre intrínsecamente dentro del medio ondulatorio a través de patrones de interferencia deliberados. No hay puertas lógicas en cascada que reduzcan el rendimiento como en los circuitos digitales. Las formas de onda contienen datos tanto de amplitud como de fase, lo que enriquece la capacidad de información en comparación con simples dígitos binarios de encendido y apagado. Y sin necesidad de repetidas conversiones de analógico a digital, las computadoras ondulatorias evitan un cuello de botella importante que limita la evolución de las arquitecturas informáticas tradicionales. Los expertos han buscado construir sistemas prácticos basados en ondas durante años, pero los desafíos inherentes en torno a la complejidad, la personalización y la capacidad de fabricación han inhibido el progreso. La realización de ordenadores prácticos basados en ondas ha resultado enormemente difícil. Los conceptos anteriores exigían complejos algoritmos de optimización que producían diseños no fabricables. Los enfoques alternativos basados en conjuntos de circuitos configurables necesitaban cantidades poco prácticas de desfasadores y amplificadores. Todas estas configuraciones eran específicas de la aplicación y carecían de flexibilidad para la resolución amplia de problemas. Ahora, científicos de la Universidad del Sureste de China han logrado un gran avance utilizando metasuperficies – una tecnología fotónica clave que promete un control revolucionario sobre las ondas electromagnéticas. Su computadora pionera de metasuperficie realiza de manera efectiva cálculos matriciales analógicos rápidos que paralizarían supercomputadoras digitales mucho más rápidas.
Diagrama esquemático del solucionador CME basado en metasuperficie, que se compone de una red de transmisión de 2N puertos y N acopladores idénticos de 4 puertos. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) (haga clic en la imagen para ampliarla) El equipo informa sus hallazgos en Materiales funcionales avanzados (“Solucionador de ecuaciones matriciales complejas basado en metasuperficie computacional”).
Las ecuaciones matriciales ocupan un lugar destacado en la ciencia y la ingeniería, modelando todo, desde optimizadores de aprendizaje automático hasta simulaciones de mecánica estructural. Resolverlos digitalmente exige una potencia informática sustancial, lo que motiva el intenso interés en las arquitecturas analógicas basadas en ondas.
El quid del nuevo solucionador de metasuperficies radica en su superficie electromagnética computacional, que comprende una cuadrícula de 1,176 elementos delicadamente sintonizados que modifican la amplitud y la fase de las ondas incidentes. Este medio nanofotónico reprogramable transforma activamente las señales de entrada en datos de salida deseados, incorporando físicamente las matemáticas dentro de la metasuperficie.
Para operar el solucionador, las ecuaciones matriciales complejas se convierten en dos componentes: una matriz de coeficientes y un vector constante. Estos datos se imprimen en ondas electromagnéticas que ingresan a dos puertos de entrada. A medida que las señales se propagan a través de la región de la metasuperficie, se someten a intrincados cálculos de interferencia a través de reflexiones dispersas. El resultado final emerge en los puertos de salida, codificado en ondas salientes.
Sorprendentemente, todo este proceso finaliza casi instantáneamente a medida que las ondas transitan por la instalación a una velocidad cercana a la de la luz. No hay retrasos sistemáticos en las puertas lógicas como en los procesadores digitales. La computadora de metasuperficie también consume mucha menos energía que sus equivalentes de silicio, lo que reduce drásticamente los costos operativos.
Fundamentalmente, el principio operativo permite resolver ecuaciones matriciales complejas arbitrarias simplemente variando el diseño de la metasuperficie y las señales de entrada. De este modo, la misma plataforma de hardware se adapta a diversos problemas sin cambios fundamentales en la arquitectura. Esta programabilidad otorga una versatilidad significativa de la que carecían las computadoras de oleadas anteriores que necesitaban diseños personalizados incluso para operaciones matemáticas básicas.
Debido a que hasta ahora ha resultado difícil ajustar elementos individuales de la metasuperficie, el prototipo actual demuestra un solucionador no reconfigurable para ecuaciones fijas. Sin embargo, el rápido progreso en la tecnología dinámica de metasuperficies apunta hacia computadoras de metasuperficie totalmente definidas por software que los investigadores reconfiguran bajo demanda. El artículo también señala que operar a frecuencias más altas reduciría el tamaño total, permitiendo que metasuperficies más grandes resuelvan cálculos matriciales más grandes.
Además, la geometría plana escalable de las metasuperficies hace que la expansión de la arquitectura sea más viable que las estructuras de metamateriales 3D anteriores intentadas para la computación ondulatoria. Si se desarrollan de manera sólida, estos solucionadores de matrices de metasuperficies reconfigurables y rápidos podrían transformar notablemente sectores que necesitan un análisis numérico intenso, desde la predicción meteorológica hasta la investigación de optimización.
El solucionador pionero de metasuperficies establece un puente largamente esperado entre la computación ondulatoria en tiempo real y la programabilidad práctica. Si bien el prototipo inicial maneja un tamaño de matriz limitado de 5 x 5, más elementos podrían enumerar dimensiones más altas. De hecho, la geometría plana escalable de las metasuperficies hace que la resolución de grandes problemas sea viable de manera más sencilla que las voluminosas estructuras de metamateriales 3D intentadas anteriormente.
Los investigadores validaron exhaustivamente su diseño mediante simulaciones y mediciones, resolviendo con precisión varias ecuaciones matriciales de prueba. En cuatro casos de prueba de simulación, la metacomputadora arrojó soluciones con tasas de error razonablemente bajas, con un promedio del 21 %. Los experimentos en un prototipo fabricado verificaron aún más la viabilidad de la arquitectura para una matriz de 3 × 3, calculando con éxito soluciones a ocho problemas matriciales distintos. Cuantitativamente, estas soluciones medidas mostraron un error promedio inferior al 25%, a la par con los puntos de referencia iniciales de los esquemas de computación electrónica analógica de la competencia. Los errores dominantes surgieron de las tolerancias en la nanofabricación y de los desafíos para leer con precisión los datos de salida.
Ambos factores deberían mejorar sustancialmente aprovechando las instalaciones de micronanofabricación de última generación y los equipos de metrología de alta precisión. Con un mayor refinamiento, las computadoras de metasuperficie podrían superar las técnicas digitales para tareas especializadas que requieren velocidades extremas.
Con un mayor refinamiento, las computadoras de metasuperficie podrían superar a los procesadores digitales para tareas especializadas que requieren velocidades extremas, como imágenes de radar, modelado científico y análisis de datos. Curiosamente, su alta eficiencia también puede ser adecuada para aplicaciones informáticas de bajo consumo. Este innovador trabajo sienta bases vitales para la computación de metasuperficies al abordar cuellos de botella previos en complejidad, personalización y realizabilidad física.
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedad: empujando los límites de la tecnología,
Nanotecnología: el futuro es pequeñoy
Nanoingeniería: las habilidades y herramientas que hacen que la tecnología sea invisible
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