12 januari 2024
(Nanowerk-schijnwerper) Omdat onze digitale apparaten steeds complexere berekeningen uitvoeren, hebben wetenschappers naar de natuurkunde gekeken voor inspiratie voor nieuwe computerparadigma's. In plaats van elektrische signalen over silicium te sturen zoals conventionele processors, codeert een intrigerende benadering informatie in elektromagnetische of akoestische golven die zich door de ruimte voortplanten. Deze op golven gebaseerde computers kunnen problemen met ongelooflijke snelheden oplossen – in theorie tot de snelheid van het licht zelf. Een dergelijke extreme snelheid is het gevolg omdat de gegevensverwerking intrinsiek binnen het golfmedium plaatsvindt via opzettelijke interferentiepatronen. Er zijn geen gecascadeerde logische poorten die de prestaties vertragen, zoals bij digitale circuits. Golfvormen bevatten zowel amplitude- als fasegegevens, waardoor de informatiecapaciteit wordt verrijkt in vergelijking met eenvoudige aan-uit binaire cijfers. En zonder dat er herhaaldelijk analoog-naar-digitaal-conversies nodig zijn, vermijden wave-computers een groot knelpunt dat de evolutie van traditionele computerarchitecturen belemmert. Deskundigen proberen al jaren praktische, op golven gebaseerde systemen te bouwen, maar inherente uitdagingen op het gebied van complexiteit, aanpasbaarheid en maakbaarheid hebben de vooruitgang belemmerd. Het realiseren van praktische, op golven gebaseerde computers is enorm moeilijk gebleken. Eerdere concepten vereisten complexe optimalisatie-algoritmen die onfabriceerbare ontwerpen opleverden. Alternatieve benaderingen op basis van configureerbare circuitarrays vereisten een onpraktisch aantal faseverschuivers en versterkers. Al deze opstellingen waren toepassingsspecifiek en ontbeerden flexibiliteit voor het oplossen van brede problemen. Nu hebben wetenschappers van de Southeast University in China een grote doorbraak bereikt met behulp van meta-oppervlakken – een belangrijke fotonische technologie die revolutionaire controle over elektromagnetische golven belooft. Hun baanbrekende metasurface-computer voert effectief snelle analoge matrixberekeningen uit die veel snellere digitale supercomputers zouden verlammen.
Schematisch diagram van de metasurface-gebaseerde CME-oplosser, die is samengesteld uit een 2N-poort transmissienetwerk en N identieke 4-poorts koppelaars. (Herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag) (klik op afbeelding om te vergroten) Het team rapporteert hun bevindingen in Geavanceerde functionele materialen (“Complexe matrixvergelijkingsoplosser gebaseerd op computationeel metasurface”).
Matrixvergelijkingen zijn prominent aanwezig in de wetenschap en techniek en modelleren alles, van machine learning-optimizers tot simulaties van structurele mechanica. Om ze digitaal op te lossen, is aanzienlijke rekenkracht nodig, wat de intense belangstelling voor op analoge golven gebaseerde architecturen motiveert.
De kern van de nieuwe metasurface-oplosser ligt in het computationele elektromagnetische oppervlak, dat bestaat uit een raster van 1,176 subtiel afgestemde elementen die de amplitude en fase van invallende golven wijzigen. Dit herprogrammeerbare nanofotonische medium transformeert ingangssignalen actief in gewenste uitgangsgegevens, waarbij de wiskunde fysiek in het metasurface wordt ingebed.
Om de oplosser te bedienen, worden complexe matrixvergelijkingen omgezet in twee componenten: een coëfficiëntenmatrix en een constante vector. Deze gegevens worden overgebracht op elektromagnetische golven die twee ingangspoorten binnenkomen. Terwijl de signalen zich door het metasurface-gebied voortplanten, ondergaan ze ingewikkelde interferentieberekeningen via verspreide reflecties. Het eindresultaat verschijnt bij de uitgangspoorten, gecodeerd in uitgaande golven.
Opmerkelijk genoeg eindigt dit hele proces vrijwel onmiddellijk wanneer de golven met een snelheid van bijna de lichtsnelheid door de opstelling gaan. Er zijn geen systematische logische poortvertragingen zoals bij digitale processors. De metasurface-computer verbruikt ook veel minder stroom dan silicium-equivalenten, waardoor de bedrijfskosten aanzienlijk worden verlaagd.
Cruciaal is dat het operationele principe het mogelijk maakt willekeurige complexe matrixvergelijkingen op te lossen door simpelweg het metasurface-ontwerp en de ingangssignalen te variëren. Hetzelfde hardwareplatform past zich dus aan uiteenlopende problemen aan zonder fundamentele architectuurveranderingen. Deze programmeerbaarheid zorgt voor een aanzienlijke veelzijdigheid die ontbreekt bij eerdere wave-computers die op maat gemaakte ontwerpen nodig hadden, zelfs voor elementaire wiskundige bewerkingen.
Omdat het afstemmen van individuele metasurface-elementen tot nu toe moeilijk is gebleken, demonstreert het huidige prototype een niet-herconfigureerbare oplosser voor vaste vergelijkingen. De snelle vooruitgang in de dynamische metasurface-technologie wijst echter in de richting van volledig softwaregedefinieerde metasurface-computers die onderzoekers op aanvraag opnieuw kunnen configureren. Het artikel merkt ook op dat het werken op hogere frequenties de totale omvang zou verkleinen, waardoor grotere metasurfaces grotere matrixberekeningen zouden kunnen oplossen.
Bovendien maakt de schaalbare vlakke geometrie van metasurfaces het uitbreiden van de architectuur haalbaarder dan eerdere 3D-metamateriaalstructuren die zijn geprobeerd voor golfcomputers. Als ze robuust worden ontwikkeld, kunnen dergelijke snel herconfigureerbare metasurface-matrixoplossers sectoren die zware numerieke analyses nodig hebben, van weersvoorspelling tot optimalisatieonderzoek, aanzienlijk transformeren.
De baanbrekende metasurface-oplosser slaat een langverwachte brug tussen real-time wave computing en praktische programmeerbaarheid. Terwijl het initiële prototype een beperkte matrixgrootte van 5 x 5 hanteert, zouden meer elementen hogere dimensies kunnen opsommen. In feite maakt de schaalbare vlakke geometrie van metasurfaces het oplossen van grote problemen eenvoudiger dan omvangrijke 3D-metamateriaalstructuren die eerder zijn geprobeerd.
De onderzoekers valideerden hun ontwerp uitgebreid via simulaties en metingen, waarbij ze verschillende testmatrixvergelijkingen nauwkeurig oplosten. In vier simulatietestgevallen leverde de metacomputer oplossingen op met redelijk lage foutenpercentages van gemiddeld 21%. De experimenten met een gefabriceerd prototype bevestigden verder de haalbaarheid van de architectuur voor een 3×3-matrix, waarbij met succes oplossingen voor acht verschillende matrixproblemen werden berekend. Kwantitatief vertoonden deze gemeten oplossingen gemiddeld een fout van minder dan 25% – vergelijkbaar met de initiële benchmarks van concurrerende elektronische analoge computersystemen. De dominante fouten kwamen voort uit toleranties bij nanofabricage en uitdagingen bij het nauwkeurig lezen van de outputgegevens.
Beide factoren zouden substantieel moeten verbeteren door gebruik te maken van de modernste micro-nanofabricagefaciliteiten en uiterst nauwkeurige metrologieapparatuur. Met verdere verfijning zouden metasurface-computers digitale technieken kunnen overtreffen voor gespecialiseerde taken waarvoor extreme snelheden nodig zijn.
Met verdere verfijning zouden metasurface-computers digitale processors kunnen overtreffen voor gespecialiseerde taken waarvoor extreme snelheden nodig zijn, zoals radarbeelden, wetenschappelijke modellering en data-analyse. Het is intrigerend dat hun hoge efficiëntie ook geschikt kan zijn voor edge-computertoepassingen met een laag vermogen. Het baanbrekende werk legt een essentiële basis voor metasurface computing door eerdere knelpunten op het gebied van complexiteit, aanpasbaarheid en fysieke realiseerbaarheid aan te pakken.
– Michael is auteur van drie boeken van de Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: de grenzen van technologie verleggen,
Nanotechnologie: de toekomst is klein en
Nanoengineering: de vaardigheden en tools die technologie onzichtbaar maken
Copyright ©
Nanowerk LLC
Word een Spotlight-gastauteur! Sluit je aan bij onze grote en groeiende groep gastbijdragers. Heb je net een wetenschappelijk artikel gepubliceerd of heb je andere opwindende ontwikkelingen om te delen met de nanotechnologie-gemeenschap? Hier leest u hoe u op nanowerk.com publiceert.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64403.php
- : heeft
- :is
- $UP
- 1
- 10
- 12
- 31
- 32
- 3d
- 7
- 8
- 9
- a
- nauwkeurig
- bereikt
- akoestisch
- over
- actief
- aanpast
- Daarnaast
- algoritmen
- Alles
- toestaat
- bijna
- ook
- an
- analyse
- analytics
- en
- toepassingen
- nadering
- benaderingen
- architectuur
- ZIJN
- rond
- AS
- At
- gepoogd
- auteur
- gemiddelde
- middeling
- vermijd
- gebaseerde
- basis-
- omdat
- onder
- benchmarks
- Berger
- op maat
- tussen
- groter
- blanco
- Boeken
- zowel
- knelpunten
- grenzen
- doorbraak
- BRUG
- breed
- bouw
- maar
- by
- CAN
- Inhoud
- gevallen
- Centreren
- uitdagingen
- Wijzigingen
- chemie
- China
- Klik
- CM-extensie
- gemeenschap
- vergeleken
- concurrerende
- complex
- ingewikkeldheid
- componenten
- samengesteld
- omvattende
- computationeel
- berekeningen
- computer
- computers
- computergebruik
- computer kracht
- concepten
- constante
- bevatten
- onder controle te houden
- conventioneel
- conversies
- geconverteerd
- Kosten
- kon
- verlamde
- cruciaal
- moeilijkheid
- Actueel
- gegevens
- gegevens Analytics
- gegevensverwerking
- Datum
- vertragingen
- eiste
- eisen
- demonstreert
- Design
- ontwerpen
- gewenste
- ontwikkelde
- ontwikkelingen
- systemen
- moeilijk
- digitaal
- digitaal
- cijfers
- Afmeting
- onderscheiden
- diversen
- dominant
- beneden
- dynamisch
- rand
- edge computing
- effectief
- efficiëntie
- acht
- elektronisch
- geeft je de mogelijkheid
- inbedding
- voorschijn
- waardoor
- gecodeerd
- Engineering
- vergroten
- enorm
- verrijkende
- het invoeren van
- Geheel
- vergelijkingen
- uitrusting
- equivalenten
- fout
- fouten
- vestigt
- Zelfs
- alles
- Evolutie
- opwindend
- uit te breiden
- experimenten
- deskundigen
- extreem
- inrichting
- feit
- factoren
- ver
- sneller
- haalbaarheid
- Kenmerk
- finale
- bevindingen
- vast
- Flexibiliteit
- flexibel
- Voor
- Stichtingen
- vier
- oppompen van
- geheel
- functioneel
- fundamenteel
- verder
- toekomst
- gate
- Gates
- geometrie
- krijgen
- gif
- subsidies
- Raster
- Groep
- Groeiend
- Gast
- handvat
- Handvaten
- gebeurt
- Hardware
- Hebben
- zwaar
- Hoge
- hoger
- Hoe
- How To
- Echter
- HTTPS
- identiek
- if
- beeld
- Imaging
- verbeteren
- in
- incident
- in toenemende mate
- ongelooflijk
- individueel
- informatie
- inherent
- eerste
- invoer
- binnen
- Inspiratie
- ogenblikkelijk
- belang
- storing
- in
- ingewikkeld
- intrigerend
- intrinsiek
- HAAR
- zelf
- mee
- jpg
- voor slechts
- sleutel
- ontbreekt
- Groot
- groter
- Lays
- leren
- minder
- leveraging
- ligt
- licht
- als
- Beperkt
- logica
- logo
- langverwachte
- keek
- Laag
- machine
- machine learning
- groot
- MERKEN
- maken
- wiskunde
- Matrix
- Mei..
- afgemeten
- maten
- mechanica
- Medium
- Metrologie
- Michael
- Midden
- modellering
- wijzigen
- meer
- veel
- naam
- nanotechnologie
- Nabij
- nodig
- nodig
- netwerk
- New
- geen
- Opmerkingen
- nu
- nummers
- of
- on
- On-Demand
- besturen
- werkzaam
- operationele
- Operations
- optimalisatie
- or
- Overige
- onze
- uitgang
- over
- totaal
- Papier
- paradigma
- patronen
- prestatie
- presteert
- toestemming
- fase
- PHP
- Fysiek
- fysiek
- Fysica
- baanbrekende
- platform
- Plato
- Plato gegevensintelligentie
- PlatoData
- punten
- havens
- energie
- PRAKTISCH
- Precies
- voorspelling
- vorig
- die eerder
- principe
- Voorafgaand
- probleem
- problemen
- verwerking
- processors
- Voortgang
- veelbelovend
- teeltmateriaal
- prototype
- bewezen
- publiceren
- gepubliceerde
- uitgever
- voortvarend
- radar
- snel
- Tarieven
- liever
- lezing
- real-time
- realiseren
- verminderen
- vermindering
- Reflections
- regio
- herhaald
- Rapporten
- onderzoek
- onderzoekers
- resultaat
- Resultaten
- revolutionair
- koninklijk
- s
- dezelfde
- schaalbare
- verspreid
- regelingen
- Wetenschap
- wetenschappelijk
- wetenschappers
- Sectoren
- setup
- verscheidene
- Delen
- moet
- vertoonde
- signalen
- aanzienlijke
- Silicium
- Eenvoudig
- simulatie
- Maat
- vaardigheden
- Maatschappij
- Oplossingen
- OPLOSSEN
- Lost op
- Het oplossen van
- gezocht
- zuidoosten
- Tussenruimte
- gespecialiseerde
- snelheid
- snelheden
- Spotlight
- state-of-the-art
- stamde
- structureel
- structuren
- wezenlijk
- wezenlijk
- Met goed gevolg
- dergelijk
- Pak
- supercomputers
- Oppervlak
- overtreffen
- Systems
- aanpakken
- taken
- team
- technieken
- Technologie
- proef
- neem contact
- dat
- De
- De toekomst
- de informatie
- hun
- Ze
- Er.
- Deze
- ze
- dit
- drie
- Door
- Dus
- Titel
- naar
- tools
- in de richting van
- traditioneel
- Transformeren
- transformaties
- doorvoer
- twee
- ondergaan
- universiteit-
- updates
- URL
- gebruik
- gevalideerd
- wisselende
- Snelheid
- geverifieerd
- veelzijdigheid
- via
- rendabel
- vitaal
- Wave
- golven
- Weer
- waren
- welke
- en
- Met
- binnen
- zonder
- Mijn werk
- zou
- X
- jaar
- opgeleverd
- waardoor
- u
- Your
- zephyrnet