12 janvier 2024
(Projecteur Nanowerk) Alors que nos appareils numériques gèrent des calculs de plus en plus complexes, les scientifiques se sont tournés vers la physique pour s'inspirer de nouveaux paradigmes informatiques. Plutôt que de transmettre des signaux électriques à travers le silicium comme les processeurs conventionnels, une approche intrigante code les informations sous forme d'ondes électromagnétiques ou acoustiques se propageant dans l'espace. Ces ordinateurs basés sur les ondes peuvent résoudre des problèmes à des vitesses incroyables – en théorie jusqu’à la vitesse de la lumière elle-même.
Une telle vitesse extrême résulte du fait que le traitement des données s’effectue intrinsèquement dans le milieu ondulatoire par le biais de modèles d’interférence délibérés. Il n'y a pas de portes logiques en cascade qui diminuent les performances comme dans les circuits numériques. Les formes d'onde contiennent à la fois des données d'amplitude et de phase, enrichissant la capacité d'information par rapport aux simples chiffres binaires marche-arrêt. Et sans avoir besoin de conversions analogiques-numériques répétées, les ordinateurs Wave évitent un goulot d'étranglement majeur qui freine l'évolution des architectures informatiques traditionnelles.
Les experts cherchent depuis des années à construire des systèmes pratiques basés sur les vagues, mais les défis inhérents liés à la complexité, à la personnalisation et à la fabricabilité ont freiné les progrès. Réaliser des ordinateurs pratiques basés sur les ondes s'est avéré extrêmement difficile. Les concepts antérieurs exigeaient des algorithmes d'optimisation complexes produisant des conceptions non réalisables. Les approches alternatives basées sur des réseaux de circuits configurables nécessitaient un nombre peu pratique de déphaseurs et d'amplificateurs. Toutes ces configurations étaient spécifiques à l'application et manquaient de flexibilité pour résoudre des problèmes généraux.
Aujourd'hui, des scientifiques de l'Université du Sud-Est en Chine ont réalisé une avancée majeure en utilisant métasurfaces – une technologie photonique clé promettant un contrôle révolutionnaire des ondes électromagnétiques. Leur ordinateur métasurface pionnier effectue efficacement des calculs matriciels analogiques rapides qui paralyseraient des supercalculateurs numériques beaucoup plus rapides.
Diagramme schématique du solveur CME basé sur la métasurface, composé d'un réseau de transmission à 2N ports et de N coupleurs identiques à 4 ports. (Réimprimé avec la permission de Wiley-VCH Verlag) (cliquez sur l'image pour l'agrandir)
L'équipe rapporte ses conclusions dans Matériaux fonctionnels avancés (« Solveur d'équations matricielles complexes basé sur une métasurface informatique »).
Les équations matricielles occupent une place importante dans les sciences et l'ingénierie, modélisant tout, des optimiseurs d'apprentissage automatique aux simulations de mécanique des structures. Leur résolution numérique nécessite une puissance de calcul considérable, ce qui suscite un intérêt intense pour les architectures analogiques basées sur les ondes.
Le cœur du nouveau solveur de métasurface réside dans sa surface électromagnétique informatique, comprenant une grille de 1,176 XNUMX éléments délicatement réglés qui modifient l’amplitude et la phase des ondes incidentes. Ce support nanophotonique reprogrammable transforme activement les signaux d’entrée en données de sortie souhaitées, intégrant physiquement les mathématiques à l’intérieur de la métasurface.
Pour faire fonctionner le solveur, les équations matricielles complexes sont converties en deux composants : une matrice de coefficients et un vecteur constant. Ces données s'impriment sur les ondes électromagnétiques entrant dans deux ports d'entrée. Au fur et à mesure que les signaux se propagent dans la région métasurface, ils subissent des calculs d'interférences complexes via des réflexions dispersées. Le résultat final émerge au niveau des ports de sortie, codé sur les ondes sortantes.
Remarquablement, l’ensemble de ce processus se termine presque instantanément lorsque les ondes traversent la configuration à une vitesse proche de la lumière. Il n’y a pas de retards de porte logique systématiques comme dans les processeurs numériques. L’ordinateur métasurface consomme également beaucoup moins d’énergie que ses équivalents en silicium, ce qui réduit considérablement les coûts d’exploitation.
Fondamentalement, le principe opérationnel permet de résoudre des équations matricielles complexes arbitraires simplement en faisant varier la conception de la métasurface et les signaux d’entrée. La même plate-forme matérielle s'adapte ainsi à divers problèmes sans modification fondamentale de l'architecture. Cette programmabilité offre une polyvalence significative qui manque aux ordinateurs Wave précédents nécessitant des conceptions sur mesure, même pour les opérations mathématiques de base.
Étant donné que le réglage des éléments de métasurface individuels s'est avéré difficile jusqu'à présent, le prototype actuel présente un solveur non reconfigurable pour les équations fixes. Cependant, les progrès rapides de la technologie des métasurfaces dynamiques laissent entrevoir des ordinateurs de métasurface entièrement définis par logiciel que les chercheurs reconfigurent à la demande. Le document note également que fonctionner à des fréquences plus élevées réduirait la taille globale, permettant à des métasurfaces plus grandes de résoudre des calculs matriciels plus importants.
De plus, la géométrie planaire évolutive des métasurfaces rend l’expansion de l’architecture plus viable que les structures métamatérielles 3D antérieures tentées pour le calcul par vagues. S’ils sont développés de manière robuste, ces solveurs de matrices de métasurface rapidement reconfigurables pourraient transformer considérablement les secteurs nécessitant une analyse numérique lourde, de la prévision météorologique à la recherche d’optimisation.
Le solveur de métasurface pionnier établit un pont tant attendu entre le calcul des vagues en temps réel et la programmabilité pratique. Alors que le prototype initial gère une taille de matrice limitée de 5 x 5, davantage d'éléments pourraient énumérer des dimensions plus élevées. En fait, la géométrie planaire évolutive des métasurfaces rend la résolution de problèmes de grande envergure plus simple que les structures métamatérielles 3D volumineuses tentées précédemment.
Les chercheurs ont entièrement validé leur conception via des simulations et des mesures, résolvant avec précision plusieurs équations matricielles de test. Dans quatre cas de test de simulation, le méta-ordinateur a produit des solutions avec des taux d'erreur raisonnablement faibles, en moyenne de 21 %. Les expériences sur un prototype fabriqué ont en outre vérifié la faisabilité de l’architecture pour une matrice 3×3, calculant avec succès des solutions à huit problèmes matriciels distincts. Quantitativement, ces solutions mesurées présentaient une erreur moyenne inférieure à 25 %, ce qui correspond aux références initiales des systèmes informatiques analogiques électroniques concurrents. Les erreurs dominantes provenaient des tolérances dans la nanofabrication et des difficultés de lecture précise des données de sortie.
Ces deux facteurs devraient s’améliorer considérablement en tirant parti des installations de micro-nanofabrication de pointe et des équipements de métrologie de haute précision. Avec davantage de perfectionnement, les ordinateurs métasurface pourraient surpasser les techniques numériques pour des tâches spécialisées nécessitant des vitesses extrêmes.
Avec davantage de perfectionnement, les ordinateurs métasurface pourraient surpasser les processeurs numériques pour des tâches spécialisées nécessitant des vitesses extrêmes telles que l'imagerie radar, la modélisation scientifique et l'analyse de données. Curieusement, leur rendement élevé peut également convenir aux applications informatiques de pointe à faible consommation. Ce travail révolutionnaire pose les bases essentielles de l’informatique métasurface en s’attaquant aux précédents goulots d’étranglement en matière de complexité, de personnalisation et de réalisabilité physique.
– Michael est l'auteur de trois livres de la Royal Society of Chemistry :
Nano-société: repousser les limites de la technologie,
Nanotechnologie: l'avenir est minusculeet la
Nanoingénierie: les compétences et les outils qui rendent la technologie invisible
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