जनवरी 12, 2024 (नानोवरक स्पॉटलाइट) जैसे-जैसे हमारे डिजिटल उपकरण तेजी से जटिल गणनाओं को संभालते हैं, वैज्ञानिकों ने नए कंप्यूटिंग प्रतिमानों पर प्रेरणा के लिए भौतिकी पर ध्यान दिया है। पारंपरिक प्रोसेसर की तरह सिलिकॉन में विद्युत संकेतों को बंद करने के बजाय, एक दिलचस्प दृष्टिकोण अंतरिक्ष के माध्यम से फैलने वाली विद्युत चुम्बकीय या ध्वनिक तरंगों में जानकारी को एन्कोड करता है। ये तरंग-आधारित कंप्यूटर अविश्वसनीय गति से समस्याओं को हल कर सकते हैं - सैद्धांतिक रूप से प्रकाश की गति तक। इस तरह के अत्यधिक वेग का परिणाम यह होता है कि डेटा प्रोसेसिंग आंतरिक रूप से तरंग माध्यम के भीतर जानबूझकर हस्तक्षेप पैटर्न के माध्यम से होती है। डिजिटल सर्किट की तरह प्रदर्शन को कम करने वाले कोई कैस्केड लॉजिक गेट नहीं हैं। तरंगरूपों में आयाम और चरण डेटा दोनों होते हैं, जो सरल ऑन-ऑफ बाइनरी अंकों की तुलना में सूचना क्षमता को समृद्ध करते हैं। और बार-बार एनालॉग-टू-डिजिटल रूपांतरण की आवश्यकता के बिना, वेव कंप्यूटर पारंपरिक कंप्यूटिंग आर्किटेक्चर के विकास को रोकने वाली एक बड़ी बाधा से बचते हैं। विशेषज्ञ वर्षों से व्यावहारिक तरंग-आधारित सिस्टम बनाने की मांग कर रहे हैं, लेकिन जटिलता, अनुकूलनशीलता और विनिर्माण क्षमता के आसपास अंतर्निहित चुनौतियों ने प्रगति को बाधित कर दिया है। व्यावहारिक तरंग-आधारित कंप्यूटर को साकार करना बेहद कठिन साबित हुआ है। पहले की अवधारणाओं के लिए जटिल अनुकूलन एल्गोरिदम की आवश्यकता होती थी, जिससे अप्रमाणित डिजाइन तैयार होते थे। विन्यास योग्य सर्किट सरणियों पर आधारित वैकल्पिक दृष्टिकोणों के लिए चरण शिफ्टर्स और एम्पलीफायरों की अव्यावहारिक संख्या की आवश्यकता होती है। ये सभी सेटअप एप्लिकेशन-विशिष्ट थे, जिनमें व्यापक समस्या समाधान के लिए लचीलेपन का अभाव था। अब चीन की साउथईस्ट यूनिवर्सिटी के वैज्ञानिकों ने प्रयोग कर एक बड़ी सफलता हासिल की है मेटासर्फेस - विद्युत चुम्बकीय तरंगों पर क्रांतिकारी नियंत्रण का वादा करने वाली एक प्रमुख फोटोनिक तकनीक। उनका अग्रणी मेटासरफेस कंप्यूटर प्रभावी ढंग से तेजी से एनालॉग मैट्रिक्स गणना करता है जो बहुत तेज डिजिटल सुपर कंप्यूटरों को निष्क्रिय कर देगा।
मेटासरफेस-आधारित सीएमई सॉल्वर का योजनाबद्ध आरेख, जो 2एन-पोर्ट ट्रांसमिशन नेटवर्क और एन समान 4-पोर्ट कप्लर्स से बना है। (विले-वीसीएच वेरलाग की अनुमति से पुनर्मुद्रित) (बड़ा करने के लिए छवि पर क्लिक करें) टीम अपने निष्कर्षों की रिपोर्ट देती है उन्नत कार्यात्मक सामग्री ("कम्प्यूटेशनल मेटासुरफेस पर आधारित जटिल मैट्रिक्स समीकरण सॉल्वर").
मैट्रिक्स समीकरण विज्ञान और इंजीनियरिंग में प्रमुखता से प्रदर्शित होते हैं, जो मशीन लर्निंग ऑप्टिमाइज़र से लेकर संरचनात्मक यांत्रिकी सिमुलेशन तक सब कुछ मॉडलिंग करते हैं। उन्हें डिजिटल रूप से हल करने के लिए पर्याप्त कंप्यूटिंग शक्ति की आवश्यकता होती है, जो एनालॉग तरंग-आधारित आर्किटेक्चर में गहन रुचि को प्रेरित करती है।
नए मेटासर्फेस सॉल्वर का सार इसकी कम्प्यूटेशनल विद्युत चुम्बकीय सतह में निहित है, जिसमें 1,176 नाजुक ढंग से ट्यून किए गए तत्वों का एक ग्रिड शामिल है जो घटना तरंगों के आयाम और चरण को संशोधित करता है। यह रिप्रोग्रामेबल नैनोफोटोनिक माध्यम सक्रिय रूप से इनपुट सिग्नल को वांछित आउटपुट डेटा में बदल देता है, भौतिक रूप से मेटासरफेस के अंदर गणित को एम्बेड करता है।
सॉल्वर को संचालित करने के लिए, जटिल मैट्रिक्स समीकरण दो घटकों में परिवर्तित हो जाते हैं - एक गुणांक मैट्रिक्स और एक स्थिर वेक्टर। ये डेटा दो इनपुट पोर्ट में प्रवेश करने वाली विद्युत चुम्बकीय तरंगों पर प्रभाव डालते हैं। जैसे ही सिग्नल मेटासर्फेस क्षेत्र के माध्यम से फैलते हैं, वे बिखरे हुए प्रतिबिंबों के माध्यम से जटिल हस्तक्षेप गणना से गुजरते हैं। अंतिम परिणाम आउटगोइंग तरंगों पर एन्कोड किए गए आउटपुट पोर्ट पर उभरता है।
उल्लेखनीय रूप से, यह पूरी प्रक्रिया लगभग तुरंत ही समाप्त हो जाती है क्योंकि तरंगें प्रकाश गति के निकट सेटअप को पार कर जाती हैं। डिजिटल प्रोसेसर की तरह इसमें कोई व्यवस्थित लॉजिक गेट विलंब नहीं है। मेटासरफेस कंप्यूटर सिलिकॉन समकक्षों की तुलना में बहुत कम बिजली की खपत करता है, जिससे परिचालन लागत में तेजी से कमी आती है।
महत्वपूर्ण रूप से, परिचालन सिद्धांत केवल मेटासर्फेस डिज़ाइन और इनपुट संकेतों को अलग करके मनमाने ढंग से जटिल मैट्रिक्स समीकरणों को हल करने की अनुमति देता है। इस प्रकार एक ही हार्डवेयर प्लेटफ़ॉर्म बिना किसी मूलभूत वास्तुकला परिवर्तन के विभिन्न समस्याओं को अपनाता है। यह प्रोग्रामयोग्यता पिछले वेव कंप्यूटरों में महत्वपूर्ण बहुमुखी प्रतिभा की कमी प्रदान करती है, जिन्हें बुनियादी गणित संचालन के लिए भी विशेष डिजाइन की आवश्यकता होती है।
चूँकि अलग-अलग मेटासतह तत्वों को ट्यून करना अब तक मुश्किल साबित हुआ है, वर्तमान प्रोटोटाइप निश्चित समीकरणों के लिए एक गैर-पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य सॉल्वर को प्रदर्शित करता है। हालाँकि, गतिशील मेटासरफेस तकनीक में तेजी से प्रगति पूरी तरह से सॉफ्टवेयर-परिभाषित मेटासरफेस कंप्यूटर की ओर इशारा करती है जिसे शोधकर्ता ऑन-डिमांड पुन: कॉन्फ़िगर करते हैं। पेपर यह भी नोट करता है कि उच्च आवृत्तियों पर काम करने से समग्र आकार कम हो जाएगा, जिससे बड़े मेटासर्फेस बड़े मैट्रिक्स गणनाओं को हल करने में सक्षम होंगे।
इसके अतिरिक्त, मेटासर्फेस की स्केलेबल प्लानर ज्यामिति तरंग कंप्यूटिंग के लिए प्रयास किए गए पूर्व 3 डी मेटामटेरियल संरचनाओं की तुलना में आर्किटेक्चर का विस्तार करना अधिक व्यवहार्य बनाती है। यदि मजबूती से विकसित किया जाए, तो ऐसे तेजी से पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य मेटासरफेस मैट्रिक्स सॉल्वर मौसम की भविष्यवाणी से लेकर अनुकूलन अनुसंधान तक भारी संख्यात्मक विश्लेषण की आवश्यकता वाले क्षेत्रों को स्पष्ट रूप से बदल सकते हैं।
अग्रणी मेटासरफेस सॉल्वर वास्तविक समय तरंग कंप्यूटिंग और व्यावहारिक प्रोग्रामयोग्यता के बीच एक लंबे समय से प्रतीक्षित पुल स्थापित करता है। जबकि प्रारंभिक प्रोटोटाइप 5 x 5 के सीमित मैट्रिक्स आकार को संभालता है, अधिक तत्व उच्च आयामों की गणना कर सकते हैं। वास्तव में, मेटासर्फेस की स्केलेबल प्लेनर ज्यामिति बड़ी समस्या को हल करने को पहले किए गए भारी 3डी मेटामटेरियल संरचनाओं की तुलना में अधिक सरलता से व्यवहार्य बनाती है।
शोधकर्ताओं ने सिमुलेशन और माप के माध्यम से अपने डिजाइन को व्यापक रूप से मान्य किया, कई परीक्षण मैट्रिक्स समीकरणों को सटीक रूप से हल किया। चार सिमुलेशन परीक्षण मामलों में, मेटा-कंप्यूटर ने 21% की औसत से काफी कम त्रुटि दर के साथ समाधान दिए। एक निर्मित प्रोटोटाइप पर प्रयोगों ने 3×3 मैट्रिक्स के लिए आर्किटेक्चर की व्यवहार्यता को और सत्यापित किया, आठ अलग-अलग मैट्रिक्स समस्याओं के समाधान की सफलतापूर्वक गणना की। मात्रात्मक रूप से, इन मापे गए समाधानों में औसतन 25% से कम त्रुटि दिखाई गई - प्रतिस्पर्धी इलेक्ट्रॉनिक एनालॉग कंप्यूटिंग योजनाओं के प्रारंभिक बेंचमार्क के बराबर। प्रमुख त्रुटियाँ नैनोफैब्रिकेशन में सहनशीलता और आउटपुट डेटा को सटीक रूप से पढ़ने में आने वाली चुनौतियों से उत्पन्न हुईं।
अत्याधुनिक माइक्रो-नैनोफैब्रिकेशन सुविधाओं और उच्च परिशुद्धता मेट्रोलॉजी उपकरणों का लाभ उठाकर दोनों कारकों में काफी सुधार होना चाहिए। आगे के शोधन के साथ, मेटासरफेस कंप्यूटर अत्यधिक गति की आवश्यकता वाले विशेष कार्यों के लिए डिजिटल तकनीकों को पार कर सकते हैं।
आगे के शोधन के साथ, मेटासरफेस कंप्यूटर रडार इमेजिंग, वैज्ञानिक मॉडलिंग और डेटा एनालिटिक्स जैसे अत्यधिक गति की आवश्यकता वाले विशेष कार्यों के लिए डिजिटल प्रोसेसर से आगे निकल सकते हैं। दिलचस्प बात यह है कि उनकी उच्च दक्षता कम-शक्ति वाले एज कंप्यूटिंग अनुप्रयोगों के लिए भी उपयुक्त हो सकती है। यह महत्वपूर्ण कार्य जटिलता, अनुकूलनशीलता और भौतिक यथार्थता में पिछले शोस्टॉपर बाधाओं से निपटकर मेटासरफेस कंप्यूटिंग के लिए महत्वपूर्ण नींव रखता है।
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माइकल
चरवाहा
- माइकल रॉयल सोसाइटी ऑफ केमिस्ट्री द्वारा तीन पुस्तकों के लेखक हैं:
नैनो-सोसाइटी: प्रौद्योगिकी की सीमाओं को धक्का देना,
नैनो टेक्नोलॉजी: द फ्यूचर इज टिनी, तथा
नैनोइंजीनियरिंग: स्किल्स एंड टूल्स मेकिंग टेक्नोलॉजी इनविजिबल
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