12 januari 2024
(Nanowerk Spotlight) Eftersom våra digitala enheter hanterar allt mer komplexa beräkningar, har forskare sökt sig till fysiken för att få inspiration till nya datorparadigm. I stället för att skjuta elektriska signaler över kisel som konventionella processorer, kodar ett spännande tillvägagångssätt information i elektromagnetiska eller akustiska vågor som utbreder sig genom rymden. Dessa vågbaserade datorer kan lösa problem med otroliga hastigheter - teoretiskt upp till ljusets hastighet. Sådan extrem hastighet uppstår eftersom databehandling sker i sig inom vågmediet genom avsiktliga interferensmönster. Det finns inga kaskadkopplade logiska grindar som drar ner prestanda som i digitala kretsar. Vågformer innehåller både amplitud- och fasdata, vilket berikar informationskapaciteten jämfört med enkla binära siffror på och av. Och utan att behöva upprepade analog-till-digital-konverteringar undviker vågdatorer en stor flaskhals som begränsar utvecklingen av traditionella datorarkitekturer. Experter har försökt bygga praktiska vågbaserade system i åratal, men inneboende utmaningar kring komplexitet, anpassningsbarhet och tillverkningsbarhet har hämmat framsteg. Att förverkliga praktiska vågbaserade datorer har visat sig oerhört svårt. Tidigare koncept krävde komplexa optimeringsalgoritmer som gav design som inte kunde tillverkas. Alternativa tillvägagångssätt baserade på konfigurerbara kretsuppsättningar krävde opraktiska antal fasskiftare och förstärkare. Alla dessa inställningar var applikationsspecifika och saknade flexibilitet för bred problemlösning. Nu har forskare från Southeast University i Kina uppnått ett stort genombrott genom att använda metasytor – en nyckelfotonisk teknik som lovar revolutionerande kontroll över elektromagnetiska vågor. Deras banbrytande metasurface-dator utför effektivt snabba analoga matrisberäkningar som skulle lamslå mycket snabbare digitala superdatorer.
Schematiskt diagram över den metasytebaserade CME-lösaren, som är sammansatt av ett 2N-ports överföringsnätverk och N identiska 4-portskopplare. (Återtryckt med tillstånd av Wiley-VCH Verlag) (klicka på bilden för att förstora) Teamet rapporterar sina resultat i Avancerade funktionella material ("Komplex matrisekvationslösare baserad på beräkningsmetayta").
Matrisekvationer har en framträdande plats inom vetenskap och teknik och modellerar allt från optimerare för maskininlärning till strukturmekaniska simuleringar. Att lösa dem digitalt kräver betydande datorkraft, vilket motiverar det intensiva intresset för analoga vågbaserade arkitekturer.
Kärnan i den nya metasytelösaren ligger i dess beräkningstekniska elektromagnetiska yta, som består av ett rutnät med 1,176 XNUMX fint inställda element som modifierar infallande vågors amplitud och fas. Detta omprogrammerbara nanofotoniska medium omvandlar aktivt insignaler till önskad utdata, vilket fysiskt bäddar in matematiken i metaytan.
För att använda lösaren omvandlas komplexa matrisekvationer till två komponenter – en koefficientmatris och en konstant vektor. Dessa data imponerar på elektromagnetiska vågor som kommer in i två ingångsportar. När signalerna fortplantar sig genom metasytområdet genomgår de invecklade interferensberäkningar via spridda reflektioner. Det slutliga resultatet framträder vid utgångsportarna, kodat på utgående vågor.
Anmärkningsvärt nog avslutas hela denna process nästan omedelbart när vågorna passerar inställningen nära ljushastigheten. Det finns inga systematiska logiska grindfördröjningar som i digitala processorer. Metasurface-datorn förbrukar också mycket mindre ström än motsvarande kisel, vilket kraftigt minskar driftskostnaderna.
Det avgörande är att den operativa principen tillåter att lösa godtyckliga komplexa matrisekvationer bara genom att variera metaytans design och ingångssignaler. Samma hårdvaruplattform anpassar sig alltså till olika problem utan några grundläggande arkitekturförändringar. Denna programmerbarhet ger betydande mångsidighet som saknas i tidigare vågdatorer som behöver skräddarsydda konstruktioner även för grundläggande matematiska operationer.
Eftersom det hittills har visat sig svårt att ställa in enskilda metasyteelement, visar den nuvarande prototypen en icke-omkonfigurerbar lösare för fasta ekvationer. Men snabba framsteg inom dynamisk metasurface-teknik pekar mot helt mjukvarudefinierade metasurface-datorer som forskare konfigurerar om på begäran. Tidningen noterar också att drift vid högre frekvenser skulle minska den totala storleken, vilket gör det möjligt för större metasytor att lösa större matrisberäkningar.
Dessutom gör den skalbara plana geometrin hos metasytor att utöka arkitekturen mer genomförbar än tidigare 3D-metamaterialstrukturer som försökts för vågberäkning. Om de är robusta utvecklade, skulle sådana snabba omkonfigurerbara metasytmatrislösare markant kunna omvandla sektorer som behöver tung numerisk analys från väderförutsägelser till optimeringsforskning.
Den banbrytande metasurface-lösaren etablerar en efterlängtad brygga mellan vågberäkning i realtid och praktisk programmerbarhet. Medan den ursprungliga prototypen hanterar en begränsad matrisstorlek på 5 x 5, kan fler element räkna upp högre dimensioner. Faktum är att metasytors skalbara plana geometri gör stora problemlösningar genomförbara enklare än skrymmande 3D-metamaterialstrukturer som tidigare försökts.
Forskarna validerade sin design genomgående genom simuleringar och mätningar, och löste flera testmatrisekvationer korrekt. I fyra simuleringstestfall gav metadatorn lösningar med rimligt låga felfrekvenser på i genomsnitt 21 %. Experimenten på en tillverkad prototyp verifierade ytterligare arkitekturens genomförbarhet för en 3×3-matris, som framgångsrikt beräknade lösningar på åtta distinkta matrisproblem. Kvantitativt visade dessa uppmätta lösningar under 25 % fel i genomsnitt – i paritet med initiala riktmärken för konkurrerande elektroniska analoga datorsystem. De dominerande felen härrörde från toleranser i nanotillverkning och utmaningar att exakt läsa utdata.
Båda faktorerna bör förbättras avsevärt genom att utnyttja toppmoderna mikronanotillverkningsanläggningar och högprecisionsmätningsutrustning. Med ytterligare förfining kunde metasurfacedatorer överträffa digitala tekniker för specialiserade uppgifter som kräver extrema hastigheter.
Med ytterligare förfining kan metasurface-datorer överträffa digitala processorer för specialiserade uppgifter som kräver extrema hastigheter som radaravbildning, vetenskaplig modellering och dataanalys. Spännande nog kan deras höga effektivitet även passa lågeffektsdatorapplikationer. Genombrottsarbetet lägger viktiga grunder för metasurface computing genom att ta itu med tidigare showstopper-flaskhalsar i komplexitet, anpassningsbarhet och fysisk realiserbarhet.
– Michael är författare till tre böcker av Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: Pushing the Boundsaries of Technology,
Nanoteknologi: Framtiden är litenoch
Nanoengineering: Färdigheterna och verktygen för att göra tekniken osynlig
Copyright ©
Nanowerk LLC
Bli en Spotlight-gästförfattare! Gå med i vår stora och växande grupp gäst bidragsgivare. Har du precis publicerat en vetenskaplig uppsats eller har någon annan spännande utveckling att dela med nanoteknologinsamhället? Så här publicerar du på nanowerk.com.
- SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
- Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
- PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
- Källa: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64403.php
- : har
- :är
- $UPP
- 1
- 10
- 12
- 31
- 32
- 3d
- 7
- 8
- 9
- a
- exakt
- uppnås
- akustisk
- tvärs
- aktivt
- anpassar sig
- Dessutom
- algoritmer
- Alla
- tillåter
- nästan
- också
- an
- analys
- analytics
- och
- tillämpningar
- tillvägagångssätt
- tillvägagångssätt
- arkitektur
- ÄR
- runt
- AS
- At
- försökte
- Författaren
- genomsnitt
- medelvärdes
- undvika
- baserat
- grundläggande
- därför att
- nedan
- riktmärken
- Berger
- beställda
- mellan
- större
- blank
- Böcker
- båda
- flaskhals
- gränser
- genombrott
- BRO
- bred
- SLUTRESULTAT
- men
- by
- KAN
- Kapacitet
- fall
- Centrum
- utmaningar
- Förändringar
- kemi
- Kina
- klick
- CM förlängning
- samfundet
- jämfört
- tävlande
- komplex
- Komplexiteten
- komponenter
- sammansatt
- innefattande
- beräkningar
- beräkningar
- dator
- datorer
- databehandling
- beräkningskraft
- Begreppen
- konstant
- innehålla
- kontroll
- konventionell
- omvandlingar
- konverterad
- Kostar
- kunde
- krympling
- avgörande
- springande punkten
- Aktuella
- datum
- Data Analytics
- databehandling
- Datum
- fördröjningar
- krävde
- krav
- demonstrerar
- Designa
- mönster
- önskas
- utvecklade
- utvecklingen
- enheter
- svårt
- digital
- digitalt
- siffror
- dimensioner
- distinkt
- flera
- dominerande
- ner
- dynamisk
- kant
- kanten beräkning
- effektivt
- effektiviteter
- åtta
- Elektronisk
- element
- inbäddning
- framträder
- möjliggör
- kodade
- Teknik
- förstora
- enormt
- berikande
- in
- Hela
- ekvationer
- Utrustning
- ekvivalenter
- fel
- fel
- upprättar
- Även
- allt
- Utvecklingen
- spännande
- expanderande
- experiment
- experter
- extrem
- anläggningar
- Faktum
- faktorer
- långt
- snabbare
- genomförbarhet
- Leverans
- slutlig
- resultat
- fixerad
- Flexibilitet
- flexibel
- För
- Stiftelser
- fyra
- från
- fullständigt
- funktionella
- grundläggande
- ytterligare
- framtida
- gate
- grindar
- geometri
- skaffa sig
- gif
- bidrag
- Rutnät
- Grupp
- Odling
- Gäst
- hantera
- Handtag
- händer
- hårdvara
- Har
- tung
- Hög
- högre
- Hur ser din drömresa ut
- How To
- Men
- HTTPS
- identiska
- if
- bild
- Imaging
- förbättra
- in
- incident
- alltmer
- otroligt
- individuellt
- informationen
- inneboende
- inledande
- ingång
- inuti
- Inspiration
- ögonblickligen
- intresse
- störningar
- in
- invecklad
- fängslande
- i sig själv
- DESS
- sig
- delta
- jpg
- bara
- Nyckel
- saknas
- Large
- större
- Lays
- inlärning
- mindre
- hävstångs
- ligger
- ljus
- tycka om
- Begränsad
- Logiken
- logotyp
- efterlängtade
- såg
- Låg
- Maskinen
- maskininlärning
- större
- GÖR
- Framställning
- matte
- Matris
- Maj..
- mätt
- mätningar
- mekanik
- Medium
- Metrology
- Michael
- Mitten
- modellering
- modifiera
- mer
- mycket
- namn
- nanoteknologi
- Nära
- behövs
- behöver
- nät
- Nya
- Nej
- Anmärkningar
- nu
- nummer
- of
- on
- On-Demand
- driva
- drift
- operativa
- Verksamhet
- optimering
- or
- Övriga
- vår
- produktion
- över
- övergripande
- Papper
- paradigm
- mönster
- prestanda
- utför
- tillstånd
- fas
- PHP
- fysisk
- Fysiskt
- Fysik
- Banbrytande
- plattform
- plato
- Platon Data Intelligence
- PlatonData
- poäng
- portar
- kraft
- Praktisk
- exakt
- förutsägelse
- föregående
- tidigare
- Principen
- Innan
- Problem
- problem
- process
- bearbetning
- processorer
- Framsteg
- lovande
- föröknings-
- Prototypen
- beprövade
- publicera
- publicerade
- utgivare
- Tryckande
- radarn
- snabb
- rates
- snarare
- Läsning
- realtid
- inse
- minska
- reducerande
- Reflektioner
- region
- upprepade
- Rapport
- forskning
- forskare
- resultera
- Resultat
- revolutionerande
- kungliga
- s
- Samma
- skalbar
- spridda
- system
- Vetenskap
- vetenskaplig
- vetenskapsmän
- Sektorer
- inställning
- flera
- Dela
- skall
- visade
- signaler
- signifikant
- Kisel
- Enkelt
- simulering
- Storlek
- färdigheter
- Samhället
- Lösningar
- LÖSA
- Löser
- Lösa
- eftersträvas
- sydöst
- Utrymme
- specialiserad
- fart
- hastigheter
- Spotlight
- state-of-the-art
- härrörde
- strukturell
- strukturer
- väsentlig
- väsentligen
- Framgångsrikt
- sådana
- följer
- superdatorer
- yta
- överträffa
- System
- tackling
- uppgifter
- grupp
- tekniker
- Teknologi
- testa
- än
- den där
- Smakämnen
- Framtiden
- den information
- deras
- Dem
- Där.
- Dessa
- de
- detta
- tre
- Genom
- Således
- Titel
- till
- verktyg
- mot
- traditionell
- Förvandla
- transformer
- transitering
- två
- genomgå
- universitet
- Uppdateringar
- URL
- med hjälp av
- validerade
- varierande
- Hastighet
- verifierade
- mångsidighet
- via
- genomförbar, livskraftig
- avgörande
- Våg
- vågor
- Väder
- były
- som
- medan
- med
- inom
- utan
- Arbete
- skulle
- X
- år
- gav
- vilket gav
- dig
- Din
- zephyrnet