12. januar 2024
(Nanowerk Spotlight) Ettersom våre digitale enheter håndterer stadig mer komplekse beregninger, har forskere sett til fysikk for inspirasjon til nye databehandlingsparadigmer. I stedet for å sende elektriske signaler over silisium som konvensjonelle prosessorer, koder en spennende tilnærming informasjon i elektromagnetiske eller akustiske bølger som forplanter seg gjennom rommet. Disse bølgebaserte datamaskinene kan løse problemer med utrolige hastigheter – teoretisk opp til selve lysets hastighet. En slik ekstrem hastighet resulterer fordi databehandling skjer i seg selv i bølgemediet gjennom bevisste interferensmønstre. Det er ingen kaskadede logiske porter som trekker ned ytelsen som i digitale kretser. Bølgeformer inneholder både amplitude- og fasedata, noe som beriker informasjonskapasiteten sammenlignet med enkle av-på-binære sifre. Og uten å trenge gjentatte analog-til-digital-konverteringer, unngår bølgedatamaskiner en stor flaskehals som begrenser utviklingen av tradisjonelle dataarkitekturer. Eksperter har forsøkt å bygge praktiske bølgebaserte systemer i årevis, men iboende utfordringer rundt kompleksitet, tilpassbarhet og produksjonsevne har hemmet fremgang. Å realisere praktiske bølgebaserte datamaskiner har vist seg enormt vanskelig. Tidligere konsepter krevde komplekse optimaliseringsalgoritmer som ga uproduserbare design. Alternative tilnærminger basert på konfigurerbare kretsoppstillinger trengte upraktiske antall faseskiftere og forsterkere. Alle disse oppsettene var applikasjonsspesifikke, og manglet fleksibilitet for bred problemløsning. Nå har forskere fra Southeast University i Kina oppnådd et stort gjennombrudd ved å bruke metaflater – en viktig fotonisk teknologi som lover revolusjonerende kontroll over elektromagnetiske bølger. Deres banebrytende metasurface-datamaskin utfører effektivt raske analoge matriseberegninger som ville lamme mye raskere digitale superdatamaskiner.
Skjematisk diagram av den metasurface-baserte CME-løseren, som er sammensatt av et 2N-ports overføringsnettverk og N identiske 4-ports koblere. (Oppgitt med tillatelse av Wiley-VCH Verlag) (klikk på bildet for å forstørre) Teamet rapporterer sine funn i Avanserte funksjonelle materialer ("Kompleks matriseligningsløser basert på beregningsmetasurface").
Matriseligninger har en fremtredende plass på tvers av vitenskap og ingeniørfag, og modellerer alt fra maskinlæringsoptimalisatorer til strukturelle mekanikksimuleringer. Å løse dem digitalt krever betydelig datakraft, noe som motiverer den intense interessen for analoge bølgebaserte arkitekturer.
Kjernen til den nye metasurface-løseren ligger i den beregningsmessige elektromagnetiske overflaten, som består av et rutenett med 1,176 delikat innstilte elementer som modifiserer innfallende bølgers amplitude og fase. Dette omprogrammerbare nanofotoniske mediet transformerer aktivt inngangssignaler til ønskede utdata, og legger inn matematikken fysisk inne i metaoverflaten.
For å betjene løseren blir komplekse matriseligninger konvertert til to komponenter - en koeffisientmatrise og en konstant vektor. Disse dataene imponerer på elektromagnetiske bølger som kommer inn i to inngangsporter. Når signalene forplanter seg gjennom metasurface-området, gjennomgår de intrikate interferensberegninger via spredte refleksjoner. Det endelige resultatet vises ved utgangsportene, kodet på utgående bølger.
Bemerkelsesverdig nok avsluttes hele denne prosessen nesten øyeblikkelig når bølgene passerer oppsettet nær lyshastigheten. Det er ingen systematiske logiske portforsinkelser som i digitale prosessorer. Metasurface-datamaskinen bruker også langt mindre strøm enn silisiumekvivalenter, noe som reduserer driftskostnadene kraftig.
Det er avgjørende at operasjonsprinsippet tillater å løse vilkårlige komplekse matriseligninger bare ved å variere metasurface-designet og inngangssignalene. Den samme maskinvareplattformen tilpasser seg dermed forskjellige problemer uten grunnleggende arkitekturendringer. Denne programmerbarheten gir betydelig allsidighet som mangler i tidligere bølgedatamaskiner som trenger skreddersydde design selv for grunnleggende matematiske operasjoner.
Fordi innstilling av individuelle metasurface-elementer har vist seg vanskelig så langt, demonstrerer den nåværende prototypen en ikke-rekonfigurerbar løser for faste ligninger. Imidlertid peker rask fremgang innen dynamisk metasurface-teknologi mot fullstendig programvaredefinerte metasurface-datamaskiner som forskere rekonfigurerer på forespørsel. Papiret bemerker også at å operere med høyere frekvenser vil redusere den totale størrelsen, noe som gjør det mulig for større metaflater å løse større matriseberegninger.
I tillegg gjør den skalerbare plane geometrien til metasurfaces utvidelse av arkitekturen mer levedyktig enn tidligere 3D-metamaterialstrukturer som ble forsøkt for bølgeberegning. Hvis de er robust utviklet, kan slike raske rekonfigurerbare metasurface-matriseløsere markant transformere sektorer som trenger tung numerisk analyse fra værprediksjon til optimaliseringsforskning.
Den banebrytende metasurface-løseren etablerer en etterlengtet bro mellom sanntids bølgeberegning og praktisk programmerbarhet. Mens den første prototypen håndterer en begrenset matrisestørrelse på 5 x 5, kan flere elementer telle høyere dimensjoner. Faktisk gjør metasurfaces skalerbare plane geometri store problemløsning levedyktige mer enkelt enn store 3D-metamaterialstrukturer som er forsøkt tidligere.
Forskerne har omfattende validert designen deres via simuleringer og målinger, og løste flere testmatriseligninger nøyaktig. På tvers av fire simuleringstesttilfeller ga metadatamaskinen løsninger med rimelig lave feilrater på gjennomsnittlig 21 %. Eksperimentene på en fabrikkert prototype bekreftet ytterligere arkitekturens gjennomførbarhet for en 3×3-matrise, og vellykket databehandling av åtte distinkte matriseproblemer. Kvantitativt viste disse målte løsningene under 25 % feil i gjennomsnitt – på nivå med innledende benchmarks for konkurrerende elektroniske analoge databehandlingssystemer. De dominerende feilene stammet fra toleranser i nanofabrikasjon og utfordringer med å lese utdataene nøyaktig.
Begge faktorene bør forbedres betydelig ved å utnytte state-of-the-art fasiliteter for mikro-nanofabrikasjon og høypresisjons metrologiutstyr. Med ytterligere foredling kan metasurface-datamaskiner overgå digitale teknikker for spesialiserte oppgaver som krever ekstreme hastigheter.
Med ytterligere foredling kan metasurface-datamaskiner overgå digitale prosessorer for spesialiserte oppgaver som krever ekstreme hastigheter som radaravbildning, vitenskapelig modellering og dataanalyse. Spennende nok kan deres høye effektivitet også passe laveffekts-edge databehandlingsapplikasjoner. Gjennombruddsarbeidet legger et viktig grunnlag for metasurface-databehandling ved å takle tidligere showstopper-flaskehalser i kompleksitet, tilpassbarhet og fysisk realiserbarhet.
– Michael er forfatter av tre bøker av Royal Society of Chemistry:
Nano-samfunnet: Skyver teknologiens grenser,
Nanoteknologi: Fremtiden er litenog
Nanoengineering: Ferdighetene og verktøyene som gjør teknologien usynlig
Copyright ©
Nanowerk LLC
Bli en Spotlight-gjesteforfatter! Bli med i vår store og voksende gruppe gjestebidragere. Har du nettopp publisert en vitenskapelig artikkel eller har andre spennende utvikling å dele med nanoteknologisamfunnet? Slik publiserer du på nanowerk.com.
- SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
- PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
- PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
- kilde: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64403.php
- : har
- :er
- $OPP
- 1
- 10
- 12
- 31
- 32
- 3d
- 7
- 8
- 9
- a
- nøyaktig
- oppnådd
- akustisk
- tvers
- aktivt
- tilpasser
- I tillegg
- algoritmer
- Alle
- tillater
- nesten
- også
- an
- analyse
- analytics
- og
- søknader
- tilnærming
- tilnærminger
- arkitektur
- ER
- rundt
- AS
- At
- forsøkt
- forfatter
- gjennomsnittlig
- gjennomsnitt
- unngå
- basert
- grunnleggende
- fordi
- under
- benchmarks
- Berger
- skreddersydd
- mellom
- større
- blank
- bøker
- både
- flaskehalser
- grenser
- gjennombrudd
- BRO
- bred
- bygge
- men
- by
- CAN
- Kapasitet
- saker
- sentrum
- utfordringer
- Endringer
- kjemi
- Kina
- klikk
- CM forlengelse
- samfunnet
- sammenlignet
- konkurrerende
- komplekse
- kompleksitet
- komponenter
- komponert
- omfattende
- beregnings
- beregninger
- datamaskin
- datamaskiner
- databehandling
- databehandlingskraft
- konsepter
- konstant
- inneholde
- kontroll
- konvensjonell
- konverteringer
- konvertert
- Kostnader
- kunne
- krøpling
- avgjørende
- crux
- Gjeldende
- dato
- Data Analytics
- databehandling
- Dato
- forsinkelser
- krevde
- krav
- demonstrerer
- utforming
- design
- ønsket
- utviklet
- utviklingen
- Enheter
- vanskelig
- digitalt
- digitalt
- sifre
- dimensjoner
- distinkt
- diverse
- dominerende
- ned
- dynamisk
- Edge
- kanten beregning
- effektivt
- effektivitet
- åtte
- elektronisk
- elementer
- embedding
- framgår
- muliggjør
- kodet
- Ingeniørarbeid
- forstørre
- enormt
- berikende
- går inn
- Hele
- ligninger
- utstyr
- ekvivalenter
- feil
- feil
- etablerer
- Selv
- alt
- evolusjon
- spennende
- ekspanderende
- eksperimenter
- eksperter
- ekstrem
- fasiliteter
- Faktisk
- faktorer
- langt
- raskere
- gjennomførbarhet
- Trekk
- slutt~~POS=TRUNC
- funn
- fikset
- fleksibilitet
- fleksibel
- Til
- Foundations
- fire
- fra
- fullt
- funksjonelle
- fundamental
- videre
- framtid
- gate
- Gates
- geometri
- få
- gif
- tilskudd
- Grid
- Gruppe
- Økende
- Gjest
- håndtere
- Håndterer
- skjer
- maskinvare
- Ha
- tung
- Høy
- høyere
- Hvordan
- Hvordan
- Men
- HTTPS
- identiske
- if
- bilde
- Imaging
- forbedre
- in
- hendelse
- stadig
- utrolig
- individuelt
- informasjon
- iboende
- innledende
- inngang
- innsiden
- inspirasjon
- øyeblikkelig
- interesse
- forstyrrelser
- inn
- innviklet
- fascinerende
- egen~~POS=TRUNC
- DET ER
- selv
- bli medlem
- jpg
- bare
- nøkkel
- mangler
- stor
- større
- Lays
- læring
- mindre
- utnytte
- ligger
- lett
- i likhet med
- Begrenset
- logikk
- logo
- etterlengtede
- så
- Lav
- maskin
- maskinlæring
- større
- GJØR AT
- Making
- math
- Matrix
- Kan..
- målte
- målinger
- mekanikk
- medium
- Justervesenet
- Michael
- Middle
- modellering
- modifisere
- mer
- mye
- navn
- nanoteknologi
- Nær
- nødvendig
- trenger
- nettverk
- Ny
- Nei.
- Merknader
- nå
- tall
- of
- on
- På etterspørsel
- betjene
- drift
- operasjonell
- Drift
- optimalisering
- or
- Annen
- vår
- produksjon
- enn
- samlet
- Papir
- paradigmer
- mønstre
- ytelse
- utfører
- tillatelse
- fase
- PHP
- fysisk
- fysisk
- Fysikk
- Banebryt
- plattform
- plato
- Platon Data Intelligence
- PlatonData
- poeng
- porter
- makt
- Praktisk
- nettopp
- prediksjon
- forrige
- tidligere
- prinsipp
- Før
- Problem
- problemer
- prosess
- prosessering
- prosessorer
- Progress
- lovende
- forplanter
- prototype
- utprøvd
- publisere
- publisert
- utgiver
- Skyver
- radar
- rask
- priser
- heller
- Lesning
- sanntids
- realisere
- redusere
- redusere
- Refleksjoner
- region
- gjentatt
- Rapporter
- forskning
- forskere
- resultere
- Resultater
- revolusjonær
- kongelig
- s
- samme
- skalerbar
- spredt
- ordninger
- Vitenskap
- vitenskapelig
- forskere
- sektorer
- oppsett
- flere
- Del
- bør
- viste
- signaler
- signifikant
- Silicon
- Enkelt
- simulering
- Størrelse
- ferdigheter
- Samfunnet
- Solutions
- LØSE
- løser
- løse
- ettertraktet
- sørøst
- Rom
- spesialisert
- fart
- hastigheter
- Spotlight
- state-of-the-art
- stammet
- strukturell
- strukturer
- betydelig
- i det vesentlige
- vellykket
- slik
- Dress
- superdatamaskiner
- overflaten
- overgå
- Systemer
- takling
- oppgaver
- lag
- teknikker
- Teknologi
- test
- enn
- Det
- De
- Fremtiden
- informasjonen
- deres
- Dem
- Der.
- Disse
- de
- denne
- tre
- Gjennom
- Dermed
- Tittel
- til
- verktøy
- mot
- tradisjonelle
- Transform
- transforme
- transitt
- to
- gjennomgå
- universitet
- oppdateringer
- URL
- ved hjelp av
- validert
- Varierende
- Hastighet
- verifisert
- allsidighet
- av
- levedyktig
- vital
- Wave
- bølger
- Vær
- var
- hvilken
- mens
- med
- innenfor
- uten
- Arbeid
- ville
- X
- år
- ga
- givende
- du
- Din
- zephyrnet