12 січня 2024 р
(Прожектор Nanowerk) Оскільки наші цифрові пристрої обробляють дедалі складніші обчислення, науковці шукали натхнення у фізиці для створення нових обчислювальних парадигм. Замість того, щоб передавати електричні сигнали через кремній, як звичайні процесори, інтригуючий підхід кодує інформацію в електромагнітних або акустичних хвилях, що поширюються в просторі. Ці хвильові комп’ютери можуть вирішувати проблеми з неймовірною швидкістю — теоретично до швидкості самого світла. Така надзвичайна швидкість є результатом того, що обробка даних відбувається внутрішньо у хвильовому середовищі за допомогою навмисних шаблонів інтерференції. Немає каскадних логічних вентилів, що знижують продуктивність, як у цифрових схемах. Осцилограми містять як амплітудні, так і фазові дані, збагачуючи інформаційну ємність порівняно з простими двійковими цифрами. І не потребуючи повторних аналого-цифрових перетворень, хвильові комп’ютери уникають серйозних вузьких місць, які стримують еволюцію традиційних обчислювальних архітектур. Фахівці роками прагнули створити практичні хвильові системи, але внутрішні проблеми, пов’язані зі складністю, можливістю налаштування та технологічністю, гальмували прогрес. Реалізація практичних хвильових комп’ютерів виявилася надзвичайно важкою. Попередні концепції вимагали складних алгоритмів оптимізації, що призводило до неможливості виготовлення проектів. Альтернативні підходи, засновані на конфігурованих масивах схем, вимагали непрактичної кількості фазовращателей і підсилювачів. Усі ці налаштування були специфічними для програми, їм бракувало гнучкості для широкого вирішення проблем. Тепер вчені з Південно-Східного університету в Китаї досягли великого прориву, використовуючи метаповерхні – ключова фотонна технологія, яка обіцяє революційний контроль над електромагнітними хвилями. Їх новаторський метаповерхневий комп’ютер ефективно виконує швидкі аналогові матричні обчислення, які могли б пошкодити набагато швидші цифрові суперкомп’ютери.
Принципова діаграма розв’язувача CME на основі метаповерхні, який складається з 2N-портової мережі передачі та N ідентичних 4-портових сполучників. (Передруковано з дозволу Wiley-VCH Verlag) (клацніть зображення, щоб збільшити) Команда повідомляє про свої висновки в Розширені функціональні матеріали («Програма розв’язування складних матричних рівнянь на основі обчислювальної метаповерхні»).
Матричні рівняння займають важливе місце в науці та інженерії, моделюючи все: від оптимізаторів машинного навчання до симуляції будівельної механіки. Розв’язання їх у цифровому вигляді потребує значної обчислювальної потужності, що стимулює інтенсивний інтерес до архітектур на основі аналогових хвиль.
Суть нового вирішувача метаповерхні полягає в його обчислювальній електромагнітній поверхні, яка складається з 1,176 тонко налаштованих елементів, які змінюють амплітуду та фазу хвиль, що падають. Це перепрограмоване нанофотонне середовище активно перетворює вхідні сигнали в бажані вихідні дані, фізично вбудовуючи математику всередину метаповерхні.
Для роботи розв’язувача складні матричні рівняння перетворюються на дві складові – матрицю коефіцієнтів і постійний вектор. Ці дані друкуються на електромагнітних хвилях, що надходять у два вхідних порти. Коли сигнали поширюються через область метаповерхні, вони піддаються складним обчисленням інтерференції через розсіяні відбиття. Кінцевий результат виникає на вихідних портах, закодований на вихідних хвилях.
Примітно, що весь цей процес завершується майже миттєво, коли хвилі проходять через установку зі швидкістю світла. Немає систематичних затримок логічного вентиля, як у цифрових процесорах. Крім того, метаповерхневий комп’ютер споживає набагато менше енергії, ніж кремнієві еквіваленти, що значно знижує експлуатаційні витрати.
Важливо те, що принцип роботи дозволяє розв’язувати довільні складні матричні рівняння, просто змінюючи дизайн метаповерхні та вхідні сигнали. Таким чином, та сама апаратна платформа адаптується до різноманітних проблем без фундаментальних змін архітектури. Ця можливість програмування забезпечує значну універсальність, якої не вистачало в комп’ютерах попередньої хвилі, які потребують спеціального дизайну навіть для базових математичних операцій.
Оскільки налаштування окремих елементів метаповерхні виявилося складним, поточний прототип демонструє нереконфігурований розв’язувач для фіксованих рівнянь. Проте швидкий прогрес у технології динамічної метаповерхні вказує на появу повністю програмно визначених метаповерхневих комп’ютерів, які дослідники переконфігурують на вимогу. У документі також зазначається, що робота на вищих частотах зменшить загальний розмір, дозволяючи більшим метаповерхням вирішувати більші матричні обчислення.
Крім того, масштабована планарна геометрія метаповерхонь робить розширення архітектури більш життєздатним, ніж попередні тривимірні структури метаматеріалів, які намагалися використовувати для хвильових обчислень. У разі надійної розробки такі швидкі реконфігуровані матриці метаповерхневих розв’язувачів можуть помітно трансформувати сектори, які потребують серйозного числового аналізу, від прогнозування погоди до оптимізаційних досліджень.
Піонерський розв’язувач метаповерхні встановлює довгоочікуваний міст між хвильовими обчисленнями в реальному часі та практичною програмованістю. У той час як початковий прототип обробляє обмежений розмір матриці 5 x 5, більше елементів могли б перелічувати вищі розміри. Насправді масштабована планарна геометрія метаповерхень робить вирішення великих проблем життєздатнішим, ніж громіздкі тривимірні структури метаматеріалів, які намагалися використовувати раніше.
Дослідники всебічно перевірили свій дизайн за допомогою моделювання та вимірювань, точно розв’язавши кілька тестових матричних рівнянь. У чотирьох симуляційних тестах метакомп’ютер дав рішення з досить низьким рівнем помилок у середньому 21%. Експерименти на виготовленому прототипі ще більше підтвердили придатність архітектури для матриці 3×3, успішно розв’язуючи вісім окремих матричних проблем. У кількісному відношенні ці виміряні рішення показали в середньому менше 25% похибки – на рівні з початковими контрольними показниками конкуруючих електронних аналогових обчислювальних схем. Домінуючі помилки виникли через допуски в нанофабрикаціях і проблеми з точним читанням вихідних даних.
Обидва фактори мають суттєво покращитися завдяки використанню найсучасніших мікронанофабрик і високоточного метрологічного обладнання. З подальшим удосконаленням метаповерхневі комп’ютери можуть перевершити цифрові методи для виконання спеціалізованих завдань, що потребують екстремальних швидкостей.
З подальшим удосконаленням метаповерхневі комп’ютери можуть перевершити цифрові процесори для спеціалізованих завдань, що потребують екстремальних швидкостей, таких як радарне зображення, наукове моделювання та аналіз даних. Цікаво, що їх висока ефективність також може підійти для програм з низьким енергоспоживанням. Проривна робота закладає життєво важливі основи для метаповерхневих обчислень, вирішуючи попередні вузькі місця, пов’язані зі складністю, настроюваністю та фізичною реалізованістю.
By
Майкл
Бергер
– Майкл є автором трьох книг Королівського товариства хімії:
Нано-суспільство: розсув кордони технологій,
Нанотехнології: Майбутнє крихітне та
Наноінженерія: навички та інструменти, що роблять технологію невидимою
Copyright ©
ТОВ «Нановерк».
Станьте запрошеним автором Spotlight! Приєднуйтесь до нашої великої та зростаючої групи гості дописувачі. Ви щойно опублікували наукову роботу чи маєте інші цікаві розробки, якими можете поділитися з нанотехнологічною спільнотою? Ось як опублікувати на nanowerk.com.
- Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
- ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
- PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
- джерело: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64403.php
- : має
- :є
- $UP
- 1
- 10
- 12
- 31
- 32
- 3d
- 7
- 8
- 9
- a
- точно
- досягнутий
- акустичний
- через
- активно
- адаптує
- Додатково
- алгоритми
- ВСІ
- дозволяє
- майже
- Також
- an
- аналіз
- аналітика
- та
- застосування
- підхід
- підходи
- архітектура
- ЕСТЬ
- навколо
- AS
- At
- спробував
- автор
- середній
- усереднення
- уникнути
- заснований
- основний
- оскільки
- нижче
- тести
- Бергер
- замовляти
- між
- більший
- порожній
- книги
- обидва
- вузькі місця
- Межі
- прорив
- BRIDGE
- широкий
- будувати
- але
- by
- CAN
- потужність
- випадків
- Центр
- проблеми
- Зміни
- хімія
- Китай
- клацання
- CME
- співтовариство
- порівняний
- конкурують
- комплекс
- складність
- Компоненти
- складається
- що включає
- обчислювальна
- обчислення
- комп'ютер
- комп'ютери
- обчислення
- обчислювальна потужність
- поняття
- постійна
- містити
- контроль
- звичайний
- конверсій
- перероблений
- витрати
- може
- каліка
- вирішальною мірою
- суть
- Поточний
- дані
- Analytics даних
- обробка даних
- Дата
- затримки
- необхідний
- запити
- демонструє
- дизайн
- конструкцій
- бажаний
- розвиненою
- події
- прилади
- важкий
- цифровий
- в цифровому вигляді
- цифр
- розміри
- чіткий
- Різне
- домінуючий
- вниз
- динамічний
- край
- краю обчислень
- фактично
- Ефективність
- вісім
- Electronic
- елементи
- вбудовування
- виникає
- дозволяє
- кодований
- Машинобудування
- збільшити
- надзвичайно
- збагачення
- вхід
- Весь
- рівняння
- обладнання
- еквіваленти
- помилка
- помилки
- встановлює
- Навіть
- все
- еволюція
- захоплюючий
- розширюється
- Експерименти
- experts
- екстремальний
- засоби
- факт
- фактори
- далеко
- швидше
- здійсненність
- особливість
- остаточний
- результати
- фіксованою
- Гнучкість
- гнучкий
- для
- Підвалини
- чотири
- від
- повністю
- функціональний
- фундаментальний
- далі
- майбутнє
- ворота
- Гейтс
- геометрія
- отримати
- GIF
- гранти
- сітка
- Group
- Зростання
- гість
- обробляти
- Ручки
- відбувається
- апаратні засоби
- Мати
- важкий
- Високий
- вище
- Як
- How To
- Однак
- HTTPS
- однаковий
- if
- зображення
- Зображеннями
- удосконалювати
- in
- інцидент
- все більше і більше
- неймовірний
- індивідуальний
- інформація
- притаманне
- початковий
- вхід
- всередині
- натхнення
- миттєво
- інтерес
- втручання
- в
- складний
- інтригуючий
- внутрішньо
- ЙОГО
- сам
- приєднатися
- JPG
- просто
- ключ
- не вистачає
- великий
- більше
- Відкладає
- вивчення
- менше
- використання
- лежить
- світло
- як
- обмеженою
- логіка
- логотип
- довгоочікуваний
- подивився
- низький
- машина
- навчання за допомогою машини
- основний
- РОБОТИ
- Робить
- математики
- Матриця
- Може..
- виміряний
- вимірювання
- механіка
- середа
- Метрологія
- Майкл
- Середній
- моделювання
- змінювати
- більше
- багато
- ім'я
- нанотехнології
- Близько
- необхідний
- нужденних
- мережу
- Нові
- немає
- примітки
- зараз
- номера
- of
- on
- On-Demand
- працювати
- операційний
- оперативний
- операції
- оптимізація
- or
- Інше
- наші
- вихід
- над
- загальний
- Папір
- парадигми
- моделі
- продуктивність
- виступає
- дозвіл
- фаза
- PHP
- фізичний
- Фізично
- Фізика
- Піонерський
- платформа
- plato
- Інформація про дані Платона
- PlatoData
- точок
- Порти
- влада
- Практичний
- точно
- прогноз
- попередній
- раніше
- принцип
- попередній
- Проблема
- проблеми
- процес
- обробка
- процесори
- прогрес
- перспективний
- розмножується
- прототип
- доведений
- публікувати
- опублікований
- видавець
- Натискання
- радар
- швидко
- ставки
- швидше
- читання
- реального часу
- розуміючи,
- зменшити
- зниження
- Роздуми
- регіон
- повторний
- Звіти
- дослідження
- Дослідники
- результат
- результати
- революційний
- королівський
- s
- то ж
- масштабовані
- розсіяний
- схеми
- наука
- науковий
- Вчені
- Сектори
- установка
- кілька
- Поділитись
- Повинен
- показав
- сигнали
- значний
- Кремній
- простий
- моделювання
- Розмір
- навички
- суспільство
- Рішення
- ВИРІШИТИ
- Вирішує
- Розв’язування
- шукати
- на південний схід
- Простір
- спеціалізований
- швидкість
- швидкість
- Прожектор
- впроваджений
- стебла
- структурний
- структур
- істотний
- по суті
- Успішно
- такі
- костюм
- суперкомп'ютери
- поверхню
- перевершувати
- Systems
- вирішення проблем
- завдання
- команда
- методи
- Технологія
- тест
- ніж
- Що
- Команда
- Майбутнє
- інформація
- їх
- Їх
- Там.
- Ці
- вони
- це
- три
- через
- Таким чином
- назва
- до
- інструменти
- до
- традиційний
- Перетворення
- перетворення
- транзит
- два
- пройти
- університет
- Updates
- URL
- використання
- підтверджено
- різний
- VeloCity
- перевірено
- Універсальність
- через
- viable
- життєво важливий
- хвиля
- хвилі
- погода
- були
- який
- в той час як
- з
- в
- без
- Work
- б
- X
- років
- дали
- поступаючись
- ви
- вашу
- зефірнет