12 gennaio 2024
(Faretto Nanowerk) Poiché i nostri dispositivi digitali gestiscono calcoli sempre più complessi, gli scienziati hanno cercato ispirazione nella fisica per nuovi paradigmi informatici. Invece di trasmettere segnali elettrici attraverso il silicio come i processori convenzionali, un approccio intrigante codifica le informazioni in onde elettromagnetiche o acustiche che si propagano attraverso lo spazio. Questi computer basati sulle onde possono risolvere problemi a velocità incredibili, teoricamente fino alla velocità della luce stessa. Tale velocità estrema risulta dal fatto che l’elaborazione dei dati avviene intrinsecamente all’interno del mezzo ondulatorio attraverso schemi di interferenza deliberati. Non ci sono porte logiche in cascata che riducono le prestazioni come nei circuiti digitali. Le forme d'onda contengono sia dati di ampiezza che di fase, arricchendo la capacità di informazione rispetto alle semplici cifre binarie on-off. E senza bisogno di ripetute conversioni da analogico a digitale, i wave computer evitano un grave collo di bottiglia che limita l’evoluzione delle architetture informatiche tradizionali. Per anni gli esperti hanno cercato di costruire sistemi pratici basati sulle onde, ma le sfide inerenti alla complessità, alla personalizzazione e alla producibilità hanno inibito il progresso. Realizzare computer pratici basati sulle onde si è rivelato estremamente difficile. I concetti precedenti richiedevano algoritmi di ottimizzazione complessi che producevano progetti non producibili. Approcci alternativi basati su matrici di circuiti configurabili richiedevano un numero poco pratico di sfasatori e amplificatori. Tutte queste configurazioni erano specifiche dell'applicazione e mancavano di flessibilità per un'ampia risoluzione dei problemi. Ora, gli scienziati della Southeast University in Cina hanno raggiunto un importante passo avanti utilizzando metasuperfici – una tecnologia fotonica chiave che promette un controllo rivoluzionario sulle onde elettromagnetiche. Il loro pionieristico computer sulla metasuperficie esegue efficacemente rapidi calcoli di matrici analogiche che paralizzerebbero i supercomputer digitali molto più veloci.
Diagramma schematico del solutore CME basato su metasuperficie, composto da una rete di trasmissione a 2N porte e N accoppiatori identici a 4 porte. (Ristampato con il permesso di Wiley-VCH Verlag) (cliccare sull'immagine per ingrandirla) Il team riporta i risultati in Materiali funzionali avanzati ("Risolutore di equazioni di matrici complesse basato sulla metasuperficie computazionale").
Le equazioni di matrice hanno un posto di rilievo nella scienza e nell'ingegneria, modellando qualsiasi cosa, dagli ottimizzatori di apprendimento automatico alle simulazioni di meccanica strutturale. Risolverli digitalmente richiede una notevole potenza di calcolo, motivando l’intenso interesse per le architetture analogiche basate su onde.
Il punto cruciale del nuovo solutore di metasuperfici risiede nella sua superficie elettromagnetica computazionale, comprendente una griglia di 1,176 elementi delicatamente sintonizzati che modificano l'ampiezza e la fase delle onde incidenti. Questo mezzo nanofotonico riprogrammabile trasforma attivamente i segnali di ingresso nei dati di output desiderati, incorporando fisicamente la matematica all'interno della metasuperficie.
Per far funzionare il risolutore, le equazioni di matrice complessa vengono convertite in due componenti: una matrice di coefficienti e un vettore costante. Questi dati vengono impressi sulle onde elettromagnetiche che entrano in due porte di ingresso. Mentre i segnali si propagano attraverso la regione della metasuperficie, subiscono complessi calcoli di interferenza tramite riflessioni sparse. Il risultato finale emerge alle porte di uscita, codificato sulle onde in uscita.
Sorprendentemente, l’intero processo termina quasi istantaneamente quando le onde attraversano l’installazione quasi alla velocità della luce. Non ci sono ritardi sistematici delle porte logiche come nei processori digitali. Il computer sulla metasuperficie consuma inoltre molta meno energia rispetto agli equivalenti in silicio, riducendo drasticamente i costi operativi.
Fondamentalmente, il principio operativo consente di risolvere equazioni di matrice complesse arbitrarie semplicemente variando la progettazione della metasuperficie e i segnali di ingresso. La stessa piattaforma hardware si adatta quindi a diversi problemi senza modifiche fondamentali dell'architettura. Questa programmabilità garantisce una versatilità significativa che mancava ai computer Wave precedenti che necessitavano di progetti su misura anche per operazioni matematiche di base.
Poiché finora la messa a punto dei singoli elementi della metasuperficie si è rivelata difficile, l’attuale prototipo dimostra un risolutore non riconfigurabile per equazioni fisse. Tuttavia, i rapidi progressi nella tecnologia delle metasuperfici dinamiche puntano verso computer con metasuperfici completamente definiti dal software che i ricercatori riconfigurano su richiesta. Il documento rileva inoltre che operare a frequenze più elevate ridurrebbe la dimensione complessiva consentendo metasuperfici più grandi di risolvere calcoli di matrici più grandi.
Inoltre, la geometria planare scalabile delle metasuperfici rende l’espansione dell’architettura più praticabile rispetto alle precedenti strutture metamateriali 3D tentate per il wave computing. Se sviluppati in modo efficace, questi risolutori rapidi di matrici di metasuperfici riconfigurabili potrebbero trasformare notevolmente i settori che necessitano di analisi numeriche pesanti, dalla previsione meteorologica alla ricerca di ottimizzazione.
Il pionieristico solutore di metasuperfici stabilisce un ponte tanto atteso tra il calcolo delle onde in tempo reale e la programmabilità pratica. Mentre il prototipo iniziale gestisce una dimensione della matrice limitata di 5 x 5, più elementi potrebbero enumerare dimensioni più elevate. In effetti, la geometria planare scalabile delle metasuperfici rende possibile la risoluzione di problemi di grandi dimensioni in modo più semplice rispetto alle ingombranti strutture metamateriali 3D tentate in precedenza.
I ricercatori hanno convalidato in modo completo il loro progetto tramite simulazioni e misurazioni, risolvendo accuratamente diverse equazioni della matrice di test. Attraverso quattro casi di test di simulazione, il metacomputer ha prodotto soluzioni con tassi di errore ragionevolmente bassi, in media del 21%. Gli esperimenti su un prototipo fabbricato hanno ulteriormente verificato la fattibilità dell'architettura per una matrice 3×3, elaborando con successo soluzioni a otto distinti problemi di matrice. Quantitativamente, queste soluzioni misurate hanno mostrato un errore medio inferiore al 25%, alla pari con i parametri di riferimento iniziali degli schemi di calcolo analogico-elettronico concorrenti. Gli errori dominanti derivavano dalle tolleranze nella nanofabbricazione e dalle difficoltà nella lettura precisa dei dati di output.
Entrambi i fattori dovrebbero migliorare sostanzialmente sfruttando strutture di micro-nanofabbricazione all’avanguardia e apparecchiature metrologiche ad alta precisione. Con un ulteriore perfezionamento, i computer sulla metasuperficie potrebbero superare le tecniche digitali per compiti specializzati che richiedono velocità estreme.
Con un ulteriore perfezionamento, i computer sulla metasuperficie potrebbero superare i processori digitali per compiti specializzati che richiedono velocità estreme come l’imaging radar, la modellazione scientifica e l’analisi dei dati. Curiosamente, la loro elevata efficienza può anche adattarsi ad applicazioni di edge computing a basso consumo. Questo lavoro rivoluzionario pone basi vitali per il metasurface computing affrontando i precedenti colli di bottiglia in termini di complessità, personalizzazione e realizzabilità fisica.
- Michael è autore di tre libri della Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: spingendo i confini della tecnologia,
Nanotecnologia: il futuro è minuscoloe
Nanoingegneria: abilità e strumenti che rendono invisibile la tecnologia
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