12년 2024월 XNUMX일
(나노 워크 스포트라이트) 디지털 장치가 점점 더 복잡한 계산을 처리함에 따라 과학자들은 새로운 컴퓨팅 패러다임에 대한 영감을 얻기 위해 물리학을 찾았습니다. 기존 프로세서처럼 실리콘 전체에 전기 신호를 전송하는 대신 공간을 통해 전파되는 전자기파 또는 음파로 정보를 인코딩하는 흥미로운 접근 방식이 있습니다. 이러한 파동 기반 컴퓨터는 이론적으로 빛 자체의 속도에 달하는 놀라운 속도로 문제를 해결할 수 있습니다. 이러한 극단적인 속도는 의도적인 간섭 패턴을 통해 데이터 처리가 파동 매체 내에서 본질적으로 발생하기 때문에 발생합니다. 디지털 회로처럼 성능을 저하시키는 계단식 논리 게이트가 없습니다. 파형에는 진폭 및 위상 데이터가 모두 포함되어 단순한 온-오프 이진수에 비해 정보 용량이 풍부해집니다. 그리고 반복적인 아날로그-디지털 변환이 필요하지 않은 웨이브 컴퓨터는 기존 컴퓨팅 아키텍처의 발전을 방해하는 주요 병목 현상을 방지합니다. 전문가들은 수년 동안 실용적인 웨이브 기반 시스템을 구축하려고 노력해 왔지만 복잡성, 사용자 정의 가능성 및 제조 가능성과 관련된 본질적인 문제로 인해 진전이 방해를 받았습니다. 실용적인 웨이브 기반 컴퓨터를 실현하는 것은 엄청나게 어려운 것으로 입증되었습니다. 이전 개념에서는 제조 불가능한 설계를 생성하는 복잡한 최적화 알고리즘이 필요했습니다. 구성 가능한 회로 어레이를 기반으로 한 대체 접근 방식에는 비현실적인 수의 위상 시프터 및 증폭기가 필요했습니다. 이러한 모든 설정은 애플리케이션별로 이루어졌기 때문에 광범위한 문제 해결을 위한 유연성이 부족했습니다. 이제 중국 남동대학교의 과학자들은 다음을 사용하여 획기적인 발전을 이루었습니다. 메타 서페이스 – 전자파에 대한 혁신적인 제어를 약속하는 핵심 광자 기술입니다. 그들의 선구적인 메타표면 컴퓨터는 훨씬 더 빠른 디지털 슈퍼컴퓨터를 무력화시키는 신속한 아날로그 매트릭스 계산을 효과적으로 수행합니다.
2N 포트 전송 네트워크와 N 개의 동일한 4 포트 커플러로 구성된 메타표면 기반 CME 솔버의 개략도. (Wiley-VCH Verlag의 허가를 받아 재인쇄) (확대하려면 이미지를 클릭하세요.) 팀은 결과를 다음에서 보고합니다. 고급 기능성 재료 (“계산 메타표면 기반의 복잡한 행렬 방정식 솔버”).
행렬 방정식은 기계 학습 최적화 프로그램부터 구조 역학 시뮬레이션까지 모든 것을 모델링하면서 과학 및 엔지니어링 전반에 걸쳐 두드러지게 특징을 이룹니다. 이 문제를 디지털 방식으로 해결하려면 상당한 컴퓨팅 성능이 필요하므로 아날로그 웨이브 기반 아키텍처에 대한 관심이 집중됩니다.
새로운 메타표면 솔버의 핵심은 입사파의 진폭과 위상을 수정하는 섬세하게 조정된 1,176개의 요소로 구성된 그리드로 구성된 계산 전자기 표면에 있습니다. 이 재프로그래밍 가능한 나노포토닉 매체는 입력 신호를 원하는 출력 데이터로 능동적으로 변환하여 메타표면 내부에 수학을 물리적으로 내장합니다.
솔버를 작동하기 위해 복잡한 행렬 방정식은 계수 행렬과 상수 벡터라는 두 가지 구성 요소로 변환됩니다. 이 데이터는 두 개의 입력 포트로 들어오는 전자파에 영향을 미칩니다. 신호가 메타표면 영역을 통해 전파됨에 따라 산란된 반사를 통해 복잡한 간섭 계산을 수행합니다. 최종 결과는 출력 포트에서 나타나며 나가는 파도로 인코딩됩니다.
놀랍게도, 이 전체 과정은 파동이 거의 광속에 가까운 설정을 통과함에 따라 거의 즉각적으로 완료됩니다. 디지털 프로세서처럼 체계적인 논리 게이트 지연이 없습니다. 또한 Metasurface 컴퓨터는 실리콘 컴퓨터보다 훨씬 적은 전력을 소비하므로 운영 비용이 크게 절감됩니다.
결정적으로, 작동 원리를 통해 메타표면 디자인과 입력 신호를 변경함으로써 임의의 복잡한 행렬 방정식을 풀 수 있습니다. 따라서 동일한 하드웨어 플랫폼은 근본적인 아키텍처 변경 없이 다양한 문제에 적응합니다. 이 프로그래밍 기능은 기본적인 수학 연산에도 맞춤형 설계가 필요한 이전 웨이브 컴퓨터에서는 부족했던 상당한 다양성을 제공합니다.
지금까지 개별 메타표면 요소를 조정하는 것이 어렵다는 것이 입증되었기 때문에 현재 프로토타입은 고정 방정식에 대해 재구성할 수 없는 솔버를 보여줍니다. 그러나 동적 메타표면 기술의 급속한 발전은 연구자들이 필요에 따라 재구성할 수 있는 완전한 소프트웨어 정의 메타표면 컴퓨터를 지향하고 있습니다. 또한 이 논문에서는 더 높은 주파수에서 작동하면 전체 크기가 줄어들어 더 큰 메타표면이 더 큰 행렬 계산을 해결할 수 있다고 지적합니다.
또한, 메타표면의 확장 가능한 평면 형상은 웨이브 컴퓨팅을 위해 시도된 이전 3D 메타물질 구조보다 아키텍처 확장을 더욱 실용적으로 만듭니다. 강력하게 개발되면 이러한 신속하게 재구성 가능한 메타표면 매트릭스 솔버는 무거운 수치 분석이 필요한 부문을 날씨 예측에서 최적화 연구로 크게 변화시킬 수 있습니다.
선구적인 메타표면 솔버는 오랫동안 기다려온 실시간 파동 컴퓨팅과 실용적인 프로그래밍 가능성 사이의 연결을 구축합니다. 초기 프로토타입은 5 x 5의 제한된 행렬 크기를 처리하지만 더 많은 요소가 더 높은 차원을 열거할 수 있습니다. 실제로 Metasurfaces의 확장 가능한 평면 형상은 이전에 시도된 부피가 큰 3D 메타물질 구조보다 더 직접적으로 대규모 문제 해결을 가능하게 합니다.
연구원들은 시뮬레이션과 측정을 통해 설계를 종합적으로 검증하고 여러 테스트 매트릭스 방정식을 정확하게 풀었습니다. 네 가지 시뮬레이션 테스트 사례에서 메타컴퓨터는 평균 21%의 상당히 낮은 오류율을 보이는 솔루션을 산출했습니다. 제작된 프로토타입에 대한 실험은 3×3 매트릭스에 대한 아키텍처의 타당성을 추가로 검증하여 XNUMX가지 서로 다른 매트릭스 문제에 대한 솔루션을 성공적으로 계산했습니다. 정량적으로 측정된 솔루션은 평균 25% 미만의 오류를 나타냈습니다. 이는 경쟁 전자 아날로그 컴퓨팅 방식의 초기 벤치마크와 동등합니다. 주된 오류는 나노제조의 허용 오차에서 비롯되었으며 출력 데이터를 정확하게 읽는 데 어려움이 있습니다.
최첨단 마이크로나노 제조 시설과 고정밀 계측 장비를 활용하면 두 요소 모두 크게 개선될 것입니다. 더욱 개선되면 메타표면 컴퓨터는 극한의 속도가 필요한 특수 작업을 위한 디지털 기술을 능가할 수 있습니다.
더욱 개선되면 Metasurface 컴퓨터는 레이더 이미징, 과학 모델링 및 데이터 분석과 같은 극한의 속도가 필요한 특수 작업에서 디지털 프로세서를 능가할 수 있습니다. 흥미롭게도 이들의 높은 효율성은 저전력 엣지 컴퓨팅 애플리케이션에도 적합할 수 있습니다. 획기적인 작업은 복잡성, 사용자 정의 가능성 및 물리적 실현 가능성에서 이전의 엄청난 병목 현상을 해결함으로써 메타표면 컴퓨팅을 위한 중요한 기반을 마련합니다.
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마이클
버거
– Michael은 Royal Society of Chemistry에서 다음 세 권의 책을 저술했습니다.
나노 사회 : 기술의 경계를 넓히다,
나노 기술 : 미래는 작다및
나노 엔지니어링 : 기술을 보이지 않게하는 기술과 도구
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