12 年 2024 月 XNUMX 日
(Nanowerk聚光灯)随着我们的数字设备处理日益复杂的计算,科学家们开始从物理学中寻找新计算范式的灵感。一种有趣的方法不是像传统处理器那样在硅片上传输电信号,而是将信息编码在通过空间传播的电磁波或声波中。这些基于波的计算机可以以令人难以置信的速度解决问题——理论上可以达到光速。产生如此极端的速度是因为数据处理通过故意的干涉模式本质上发生在波介质内。不存在像数字电路中那样降低性能的级联逻辑门。波形包含幅度和相位数据,与简单的开关二进制数字相比,丰富了信息容量。并且不需要重复的模数转换,波浪计算机避免了限制传统计算架构发展的主要瓶颈。多年来,专家们一直在寻求构建实用的基于波浪的系统,但围绕复杂性、可定制性和可制造性的固有挑战阻碍了进展。事实证明,实现实用的基于波的计算机非常困难。先前的概念需要复杂的优化算法,从而产生无法制造的设计。基于可配置电路阵列的替代方法需要不切实际数量的移相器和放大器。所有这些设置都是特定于应用程序的,缺乏解决广泛问题的灵活性。现在,中国东南大学的科学家在利用 超表面 – 一项有望对电磁波进行革命性控制的关键光子技术。他们开创性的超表面计算机有效地执行快速模拟矩阵计算,这将削弱更快的数字超级计算机。
基于超表面的CME求解器示意图,由2N端口传输网络和N个相同的4端口耦合器组成。 (经 Wiley-VCH Verlag 许可转载)(点击图片放大)该团队在 高级功能材料 (《基于计算超表面的复矩阵方程求解器》).
矩阵方程在科学和工程领域占有重要地位,可以对从机器学习优化器到结构力学模拟的所有内容进行建模。 以数字方式解决这些问题需要大量的计算能力,这激发了人们对基于模拟波的架构的浓厚兴趣。
新型超表面求解器的关键在于其计算电磁表面,该表面由 1,176 个经过精心调整的元素组成的网格组成,这些元素可以修改入射波的振幅和相位。 这种可重新编程的纳米光子介质主动将输入信号转换为所需的输出数据,将数学物理嵌入超表面内。
为了操作求解器,复杂的矩阵方程被转换为两个组成部分——系数矩阵和常数向量。 这些数据印记到进入两个输入端口的电磁波上。 当信号通过超表面区域传播时,它们通过散射反射进行复杂的干涉计算。 最终结果出现在输出端口,编码到输出波上。
值得注意的是,当波以接近光速的速度穿过装置时,整个过程几乎立即完成。 不存在像数字处理器那样的系统逻辑门延迟。 超表面计算机的功耗也远低于硅计算机,从而大幅降低了运营成本。
至关重要的是,操作原理允许仅通过改变超表面设计和输入信号来求解任意复杂的矩阵方程。 因此,相同的硬件平台可以适应不同的问题,而无需进行根本性的架构更改。 这种可编程性赋予了以前的波浪计算机所缺乏的显着的多功能性,即使是基本的数学运算也需要定制设计。
由于迄今为止调整单个超表面元素已被证明是困难的,因此当前的原型演示了固定方程的不可重新配置的求解器。 然而,动态超表面技术的快速进步指向完全软件定义的超表面计算机,研究人员可以根据需要重新配置。 该论文还指出,在更高的频率下运行将减少整体尺寸,从而使更大的超表面能够解决更大的矩阵计算。
此外,超表面的可扩展平面几何形状使得扩展架构比之前尝试用于波计算的 3D 超材料结构更加可行。 如果得到大力发展,这种快速可重构超表面矩阵求解器可以显着改变需要大量数值分析的领域,从天气预报到优化研究。
开创性的超表面求解器在实时波计算和实际可编程性之间建立了一座期待已久的桥梁。 虽然初始原型处理 5 x 5 的有限矩阵大小,但更多元素可以枚举更高维度。 事实上,超表面的可扩展平面几何形状使得大型问题的解决比之前尝试的庞大 3D 超材料结构更直接。
研究人员通过模拟和测量全面验证了他们的设计,准确地求解了多个测试矩阵方程。 在四个模拟测试案例中,元计算机生成的解决方案的错误率相当低,平均为 21%。 在制造的原型上进行的实验进一步验证了该架构对于 3×3 矩阵的可行性,成功计算了八个不同矩阵问题的解决方案。 从数量上看,这些测量的解决方案的平均误差低于 25%,与竞争电子模拟计算方案的初始基准相当。 主要错误源于纳米加工的公差以及精确读取输出数据的挑战。
通过利用最先进的微纳米制造设施和高精度计量设备,这两个因素都应该得到大幅改善。 通过进一步完善,超表面计算机可以超越数字技术来完成需要极快速度的特殊任务。
通过进一步完善,超表面计算机可以超越数字处理器来完成需要极快速度的特殊任务,例如雷达成像、科学建模和数据分析。 有趣的是,它们的高效率也可能适合低功耗边缘计算应用。 这项突破性工作通过解决之前在复杂性、可定制性和物理可实现性方面的瓶颈,为超表面计算奠定了重要基础。
– Michael 是皇家化学学会三本书的作者:
纳米社会:突破技术边界,
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