12 de janeiro de 2024
(Destaque do Nanowerk) À medida que nossos dispositivos digitais lidam com cálculos cada vez mais complexos, os cientistas buscaram inspiração na física para novos paradigmas de computação. Em vez de transportar sinais elétricos através do silício como os processadores convencionais, uma abordagem intrigante codifica informações em ondas eletromagnéticas ou acústicas que se propagam pelo espaço. Esses computadores baseados em ondas podem resolver problemas a velocidades incríveis – teoricamente até a própria velocidade da luz. Essa velocidade extrema ocorre porque o processamento de dados ocorre intrinsecamente no meio da onda por meio de padrões de interferência deliberados. Não há portas lógicas em cascata prejudicando o desempenho como nos circuitos digitais. As formas de onda contêm dados de amplitude e fase, enriquecendo a capacidade de informação em comparação com simples dígitos binários liga-desliga. E sem a necessidade de conversões repetidas de analógico para digital, os computadores wave evitam um grande gargalo que restringe a evolução das arquiteturas de computação tradicionais. Os especialistas procuram construir sistemas práticos baseados em ondas há anos, mas os desafios inerentes à complexidade, personalização e capacidade de fabricação inibiram o progresso. A realização de computadores práticos baseados em ondas revelou-se extremamente difícil. Os conceitos anteriores exigiam algoritmos de otimização complexos, gerando projetos não fabricáveis. Abordagens alternativas baseadas em conjuntos de circuitos configuráveis precisavam de um número impraticável de defasadores e amplificadores. Todas essas configurações eram específicas da aplicação, sem flexibilidade para a resolução ampla de problemas. Agora, cientistas da Southeast University, na China, alcançaram um grande avanço usando metasuperfícies – uma tecnologia fotônica chave que promete controle revolucionário sobre ondas eletromagnéticas. Seu computador pioneiro de metassuperfície executa com eficácia cálculos rápidos de matrizes analógicas que paralisariam supercomputadores digitais muito mais rápidos.
Diagrama esquemático do solucionador CME baseado em metassuperfície, que é composto por uma rede de transmissão de 2N portas e N acopladores idênticos de 4 portas. (Reproduzido com permissão de Wiley-VCH Verlag) (clique na imagem para ampliar) A equipe relata suas descobertas em Materiais funcionais avançados (“Solucionador de equações de matriz complexa baseado em metasuperfície computacional”).
As equações matriciais aparecem com destaque na ciência e na engenharia, modelando tudo, desde otimizadores de aprendizado de máquina até simulações de mecânica estrutural. Resolvê-los digitalmente exige um poder computacional substancial, motivando o intenso interesse em arquiteturas baseadas em ondas analógicas.
O ponto crucial do novo solucionador de metassuperfície está em sua superfície eletromagnética computacional, compreendendo uma grade de 1,176 elementos delicadamente ajustados que modificam a amplitude e a fase das ondas incidentes. Este meio nanofotônico reprogramável transforma ativamente os sinais de entrada em dados de saída desejados, incorporando fisicamente a matemática dentro da metassuperfície.
Para operar o solucionador, equações matriciais complexas são convertidas em dois componentes – uma matriz de coeficientes e um vetor constante. Esses dados são impressos nas ondas eletromagnéticas que entram em duas portas de entrada. À medida que os sinais se propagam através da região da metassuperfície, eles passam por intrincados cálculos de interferência por meio de reflexões dispersas. O resultado final emerge nas portas de saída, codificado nas ondas de saída.
Notavelmente, todo esse processo termina quase instantaneamente à medida que as ondas transitam pela configuração perto da velocidade da luz. Não há atrasos sistemáticos nas portas lógicas como nos processadores digitais. O computador de metassuperfície também consome muito menos energia do que os equivalentes de silício, reduzindo drasticamente os custos operacionais.
Crucialmente, o princípio operacional permite resolver equações matriciais complexas arbitrárias apenas variando o design da metassuperfície e os sinais de entrada. A mesma plataforma de hardware adapta-se assim a diversos problemas sem alterações fundamentais na arquitetura. Essa programabilidade garante versatilidade significativa que faltava em computadores de ondas anteriores que precisavam de designs personalizados, mesmo para operações matemáticas básicas.
Como o ajuste de elementos individuais da metassuperfície tem se mostrado difícil até o momento, o protótipo atual demonstra um solucionador não reconfigurável para equações fixas. No entanto, o rápido progresso na tecnologia de metassuperfícies dinâmicas aponta para computadores de metassuperfícies totalmente definidos por software que os pesquisadores reconfiguram sob demanda. O artigo também observa que operar em frequências mais altas reduziria o tamanho geral, permitindo que metasuperfícies maiores resolvessem cálculos matriciais maiores.
Além disso, a geometria planar escalável das metassuperfícies torna a expansão da arquitetura mais viável do que as estruturas de metamateriais 3D anteriores tentadas para a computação de ondas. Se desenvolvidos de forma robusta, esses solucionadores de matrizes de metassuperfície reconfiguráveis e rápidos poderiam transformar significativamente setores que necessitam de análises numéricas pesadas, desde a previsão do tempo até a pesquisa de otimização.
O solucionador pioneiro de metassuperfícies estabelece uma ponte há muito esperada entre a computação de ondas em tempo real e a programabilidade prática. Embora o protótipo inicial lide com um tamanho de matriz limitado de 5 x 5, mais elementos poderiam enumerar dimensões maiores. Na verdade, a geometria planar escalável das metassuperfícies torna a solução de grandes problemas viável de forma mais direta do que estruturas volumosas de metamateriais 3D tentadas anteriormente.
Os pesquisadores validaram de forma abrangente seu projeto por meio de simulações e medições, resolvendo com precisão diversas equações da matriz de teste. Em quatro casos de teste de simulação, o metacomputador produziu soluções com taxas de erro razoavelmente baixas, em média 21%. Os experimentos em um protótipo fabricado verificaram ainda mais a viabilidade da arquitetura para uma matriz 3×3, computando com sucesso soluções para oito problemas de matriz distintos. Quantitativamente, estas soluções medidas apresentaram erros inferiores a 25%, em média – no mesmo nível dos benchmarks iniciais de esquemas de computação analógica eletrónica concorrentes. Os erros dominantes resultaram de tolerâncias na nanofabricação e desafios na leitura precisa dos dados de saída.
Ambos os factores deverão melhorar substancialmente através do aproveitamento de instalações de micro-nanofabricação de última geração e de equipamentos de metrologia de alta precisão. Com mais refinamento, os computadores de metasuperfície poderiam superar as técnicas digitais para tarefas especializadas que necessitam de velocidades extremas.
Com mais refinamento, os computadores de metassuperfície poderiam superar os processadores digitais para tarefas especializadas que exigem velocidades extremas, como imagens de radar, modelagem científica e análise de dados. Curiosamente, suas altas eficiências também podem ser adequadas para aplicações de computação de ponta de baixo consumo de energia. O trabalho inovador estabelece bases vitais para a computação de metassuperfície, abordando gargalos anteriores em termos de complexidade, personalização e realização física.
– Michael é autor de três livros da Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedade: ultrapassando os limites da tecnologia,
Nanotecnologia: o futuro é minúsculo e
Nanoengenharia: as habilidades e ferramentas que tornam a tecnologia invisível
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