12 января 2024 г.
(Nanowerk В центре внимания) Поскольку наши цифровые устройства выполняют все более сложные вычисления, ученые обратились к физике за вдохновением для создания новых вычислительных парадигм. Вместо того, чтобы передавать электрические сигналы по кремнию, как это делают обычные процессоры, интригующий подход кодирует информацию в электромагнитных или акустических волнах, распространяющихся в пространстве. Эти волновые компьютеры могут решать проблемы с невероятной скоростью — теоретически вплоть до скорости самого света.
Такая экстремальная скорость возникает потому, что обработка данных происходит внутри волновой среды посредством преднамеренных интерференционных картин. Здесь нет каскадных логических элементов, снижающих производительность, как в цифровых схемах. Сигналы содержат данные как об амплитуде, так и о фазе, что увеличивает информационную емкость по сравнению с простыми двоичными цифрами. И не требуя повторных аналого-цифровых преобразований, волновые компьютеры позволяют избежать серьезного узкого места, ограничивающего развитие традиционных вычислительных архитектур.
Эксперты годами пытались создать практичные волновые системы, но присущие им проблемы, связанные со сложностью, настраиваемостью и технологичностью, тормозили прогресс. Реализация практических компьютеров на основе волн оказалась чрезвычайно сложной. Предыдущие концепции требовали сложных алгоритмов оптимизации, приводивших к невозможности изготовления конструкций. Альтернативные подходы, основанные на конфигурируемых схемных массивах, требовали непрактичного количества фазовращателей и усилителей. Все эти настройки были ориентированы на конкретные приложения и им не хватало гибкости для решения широких задач.
Теперь ученые из Юго-Восточного университета в Китае добились крупного прорыва, используя метаповерхности – ключевая фотонная технология, обещающая революционный контроль над электромагнитными волнами. Их новаторский компьютер на метаповерхности эффективно выполняет быстрые аналогово-матричные вычисления, которые могли бы вывести из строя гораздо более быстрые цифровые суперкомпьютеры.
Схематическая диаграмма решателя CME на основе метаповерхности, который состоит из сети передачи с 2N портами и N идентичных 4-портовых соединителей. (Перепечатано с разрешения Wiley-VCH Verlag) (нажмите на изображение, чтобы увеличить)
Команда сообщает о своих выводах в Расширенные функциональные материалы («Решатель комплексных матричных уравнений на основе вычислительной метаповерхности»).
Матричные уравнения занимают видное место в науке и технике, моделируя все: от оптимизаторов машинного обучения до моделирования строительной механики. Их цифровое решение требует значительных вычислительных мощностей, что мотивирует повышенный интерес к аналоговым волновым архитектурам.
Суть нового решателя метаповерхностей заключается в его вычислительной электромагнитной поверхности, состоящей из сетки из 1,176 тонко настроенных элементов, которые изменяют амплитуду и фазу падающих волн. Эта перепрограммируемая нанофотонная среда активно преобразует входные сигналы в желаемые выходные данные, физически внедряя математические вычисления в метаповерхность.
Для работы решателя сложные матричные уравнения преобразуются в два компонента — матрицу коэффициентов и постоянный вектор. Эти данные воздействуют на электромагнитные волны, поступающие в два входных порта. По мере распространения сигналов через область метаповерхности они подвергаются сложным интерференционным вычислениям посредством рассеянных отражений. Конечный результат появляется на выходных портах и закодируется в исходящие волны.
Примечательно, что весь этот процесс заканчивается почти мгновенно, когда волны проходят установку со скоростью, близкой к скорости света. Здесь нет систематических задержек на логических элементах, как в цифровых процессорах. Компьютер на метаповерхности также потребляет гораздо меньше энергии, чем его кремниевые эквиваленты, что резко снижает эксплуатационные расходы.
Важно отметить, что принцип работы позволяет решать произвольные сложные матричные уравнения, просто изменяя конструкцию метаповерхности и входные сигналы. Таким образом, одна и та же аппаратная платформа адаптируется к различным задачам без каких-либо фундаментальных изменений в архитектуре. Эта возможность программирования обеспечивает значительную универсальность, которой не хватало компьютерам предыдущей волны, требующим индивидуальной конструкции даже для основных математических операций.
Поскольку настройка отдельных элементов метаповерхности до сих пор оказалась сложной, текущий прототип демонстрирует нереконфигурируемый решатель для фиксированных уравнений. Однако быстрый прогресс в технологии динамических метаповерхностей указывает на появление полностью программно определяемых метаповерхностных компьютеров, которые исследователи переконфигурируют по требованию. В документе также отмечается, что работа на более высоких частотах уменьшит общий размер, позволяя более крупным метаповерхностям решать более масштабные матричные вычисления.
Кроме того, масштабируемая плоская геометрия метаповерхностей делает расширение архитектуры более жизнеспособным, чем предыдущие трехмерные структуры метаматериала, которые пытались использовать для волновых вычислений. Если такие быстрые реконфигурируемые матричные решатели метаповерхностей будут тщательно разработаны, они смогут заметно трансформировать сектора, требующие тяжелого численного анализа, от прогнозирования погоды до оптимизационных исследований.
Новаторский решатель метаповерхностей устанавливает долгожданный мост между волновыми вычислениями в реальном времени и практическим программированием. Хотя первоначальный прототип обрабатывает ограниченный размер матрицы 5 x 5, большее количество элементов может содержать более высокие измерения. Фактически, масштабируемая плоская геометрия метаповерхностей делает решение больших задач более простым, чем громоздкие трехмерные структуры метаматериала, которые пытались использовать ранее.
Исследователи всесторонне проверили свою конструкцию с помощью моделирования и измерений, точно решив несколько уравнений тестовой матрицы. В четырех тестовых случаях моделирования метакомпьютер выдал решения с достаточно низким коэффициентом ошибок, составляющим в среднем 21%. Эксперименты на изготовленном прототипе еще раз подтвердили возможность использования архитектуры для матрицы 3×3, успешно вычислив решения восьми различных матричных задач. Количественно эти измеренные решения показали в среднем ошибку ниже 25% — на уровне первоначальных эталонных показателей конкурирующих электронных аналоговых вычислительных схем. Преобладающие ошибки возникли из-за допусков в нанопроизводстве и проблем с точным считыванием выходных данных.
Оба фактора должны существенно улучшиться за счет использования современных микронанотехнологий и высокоточного метрологического оборудования. При дальнейшем усовершенствовании компьютеры на метаповерхности смогут превзойти цифровые технологии для решения специализированных задач, требующих экстремальных скоростей.
При дальнейшем усовершенствовании компьютеры на метаповерхности смогут превзойти цифровые процессоры для решения специализированных задач, требующих экстремальных скоростей, таких как радиолокационная визуализация, научное моделирование и анализ данных. Интересно, что их высокая эффективность может также подойти для приложений с низким энергопотреблением на периферийных вычислениях. Эта революционная работа закладывает жизненно важные основы для метаповерхностных вычислений, устраняя предыдущие узкие места, связанные со сложностью, настраиваемостью и физической реализуемостью.
By
Майкл
Бергер
- Майкл является автором трех книг Королевского химического общества:
Нано-общество: раздвигая границы технологий,
Нанотехнология: будущее крошечнои
Наноинженерия: навыки и инструменты, делающие технологию невидимой
Все права защищены ©
ООО «Нановерк»
Станьте приглашенным автором Spotlight! Присоединяйтесь к нашей большой и растущей группе приглашенные участники. Вы только что опубликовали научную статью или хотите поделиться другими интересными событиями с сообществом нанотехнологов? Вот как опубликовать на nanowerk.com.
- SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
- PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
- ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
- ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
- ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
- Источник: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64403.php
- :имеет
- :является
- $UP
- 1
- 10
- 12
- 31
- 32
- 3d
- 7
- 8
- 9
- a
- точно
- достигнутый
- акустическая
- через
- активно
- адаптируются
- Дополнительно
- алгоритмы
- Все
- позволяет
- почти
- причислены
- an
- анализ
- аналитика
- и
- Приложения
- подхода
- подходы
- архитектура
- МЫ
- около
- AS
- At
- попытка
- автор
- в среднем
- усреднение
- избежать
- основанный
- основной
- , так как:
- ниже
- тесты
- Бергер
- сделанный на заказ
- между
- больший
- пустой
- Книги
- изоферменты печени
- узкие
- Границы
- прорыв
- МОСТ
- широкий
- строить
- но
- by
- CAN
- Пропускная способность
- случаев
- Центр
- проблемы
- изменения
- химия
- Китай
- нажмите на
- СМЕ
- сообщество
- сравненный
- конкурирующий
- комплекс
- сложность
- компоненты
- состоящие
- содержащий
- вычислительный
- расчеты
- компьютер
- компьютеры
- вычисление
- вычислительная мощность
- понятия
- постоянная
- содержать
- контроль
- обычный
- конверсий
- переделанный
- Расходы
- может
- калека
- в решающей степени
- суть
- Текущий
- данным
- Анализ данных
- обработка данных
- Время
- задержки
- требуемый
- запросы
- демонстрирует
- Проект
- конструкций
- желанный
- развитый
- события
- Устройства
- трудный
- Интернет
- цифровой
- цифры
- размеры
- отчетливый
- Разное
- доминирующий
- вниз
- динамический
- Edge
- краевые вычисления
- фактически
- Эффективность
- 8
- Электронный
- элементы
- вложения
- возникает
- позволяет
- закодированный
- Проект и
- увеличивать
- чрезвычайно
- обогащение
- входящий
- Весь
- уравнения
- Оборудование
- эквиваленты
- ошибка
- ошибки
- налаживает
- Даже
- многое
- эволюция
- захватывающий
- расширяющийся
- Эксперименты
- эксперты
- экстремальный
- средства
- факт
- факторы
- далеко
- быстрее
- осуществимость
- Особенность
- окончательный
- результаты
- фиксированной
- Трансформируемость
- гибкого
- Что касается
- Устои
- 4
- от
- полностью
- функциональная
- фундаментальный
- далее
- будущее
- ворота
- ворота
- геометрия
- получить
- GIF
- гранты
- сетка
- группы
- Рост
- GUEST
- обрабатывать
- Ручки
- происходит
- Аппаратные средства
- Есть
- тяжелый
- High
- высший
- Как
- How To
- Однако
- HTTPS
- идентичный
- if
- изображение
- Изображениями
- улучшать
- in
- инцидент
- все больше и больше
- невероятный
- individual
- информация
- свойственный
- начальный
- вход
- внутри
- Вдохновение
- мгновенно
- интерес
- вмешательство
- в
- запутанный
- интригующий
- в действительности
- ЕГО
- саму трезвость
- присоединиться
- JPG
- всего
- Основные
- недостающий
- большой
- больше
- Lays
- изучение
- Меньше
- Используя
- лежит
- легкий
- такое как
- Ограниченный
- логика
- логотип
- долгожданный
- смотрел
- Низкий
- машина
- обучение с помощью машины
- основной
- ДЕЛАЕТ
- Создание
- математике
- матрица
- Май..
- измеренный
- размеры
- механика
- средний
- метрология
- Майкл
- средняя
- моделирование
- изменять
- БОЛЕЕ
- много
- имя
- нанотехнологии
- Возле
- необходимый
- нуждающихся
- сеть
- Новые
- нет
- Заметки
- сейчас
- номера
- of
- on
- On-Demand
- работать
- операционный
- оперативный
- Операционный отдел
- оптимизация
- or
- Другое
- наши
- выходной
- за
- общий
- бумага & картон
- парадигмы
- паттеранами
- производительность
- выполняет
- разрешение
- фаза
- PHP
- физический
- Физически
- Физика
- Новаторская
- Платформа
- Платон
- Платон Интеллектуальные данные
- ПлатонДанные
- пунктов
- порты
- мощностью
- практическое
- Точно
- прогноз
- предыдущий
- предварительно
- принцип
- Предварительный
- Проблема
- проблемам
- процесс
- обработка
- процессоры
- Прогресс
- многообещающий
- распространяющийся
- прототип
- доказанный
- публиковать
- опубликованный
- издатель
- Нажимать
- радар
- быстро
- Стоимость
- скорее
- Reading
- реального времени
- понимая,
- уменьшить
- снижение
- Отражения
- область
- повторный
- Отчеты
- исследованиям
- исследователи
- результат
- Итоги
- революционный
- королевский
- s
- то же
- масштабируемые
- рассеянный
- схемы
- Наука
- научный
- Ученые
- Сектора юридического права
- установка
- несколько
- Поделиться
- должен
- показал
- сигналы
- значительный
- кремний
- просто
- моделирование
- Размер
- навыки
- Общество
- Решения
- РЕШАТЬ
- Решает
- Решение
- искать
- юго-восток
- Space
- специализированный
- скорость
- скорость
- Прожектор
- современное состояние
- стебли
- структурный
- структур
- существенный
- по существу
- Успешно
- такие
- Костюм
- суперкомпьютерах
- Поверхность
- превосходить
- системы
- Tackling
- задачи
- команда
- снижения вреда
- Технологии
- тестXNUMX
- чем
- который
- Ассоциация
- Будущее
- информация
- их
- Их
- Там.
- Эти
- они
- этой
- три
- Через
- Таким образом
- Название
- в
- инструменты
- к
- традиционный
- Transform
- прообразы
- транзит
- два
- претерпевать
- Университет
- Updates
- URL
- через
- подтверждено
- Различная
- Скорость
- проверено
- многосторонность
- с помощью
- жизнеспособный
- жизненный
- Wave
- волны
- Погода
- были
- который
- в то время как
- в
- без
- Работа
- бы
- X
- лет
- дали
- уступая
- являетесь
- ВАШЕ
- зефирнет