• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
18.01.2023
Василий Парфенов
2
4 135

Оптический аналоговый компьютер решил интегральное уравнение менее чем за пикосекунду

2.5

Американские исследователи создали метаматериал, из которого изготовили аналоговые оптические вычислительные ячейки. Если направить на них луч света, угол падения, поляризация или длина волны которого представляют элементы математической матрицы, то на выходе получится излучение с измененными параметрами, представляющее решение заданного уравнения. Работа таких вычислителей на несколько порядков быстрее, чем используемых в электронике процессоров, даже если это специализированные микросхемы, а не универсальные.

Оптический аналоговый нанокомпьютер
Схема ячеек аналогового оптического компьютера: желтый — золотой слой, образующий полупрозрачное зеркало, голубой — прозрачный наполнитель из оксида кремния, синий — «решетка» сложной формы из кремния, серый — подложка из сапфирового стекла. Входящий световой поток показан зелеными стрелками u1-u3, угол падения луча является аналоговым представлением элемента матрицы в формуле приближенного решения интегрального уравнения. Внутри ячеек лучи переотражаются по траекториям, которые обусловлены рисунком «решетки», а затем часть из них выходит через сапфировое стекло (красные стрелки). Это и есть решение уравнения, выраженное в виде лучей с определенными параметрами / ©https://doi.org/10.1038/s41565-022-01297-9 / Автор: Артем Фомин

Термин «компьютер», особенно в русском языке, прочно ассоциируется с цифровой электронной вычислительной машиной (ЦЭВМ). На первый взгляд, помимо универсальных — десктопов (настольных ПК), ноутбуков, смартфонов и серверов, — они бывают и узкоспециализированными: например, сетевое оборудование, контроллеры промышленных установок. Тем не менее за некоторыми исключениями архитектура всех современных компьютеров в своей основе универсальна и многофункциональна.

Именно это позволило цифровым компьютерам, как более дешевым в производстве за счет массовости и технологичности решений, вытеснить аналоговые. Притом что еще до середины XX века последние использовались широко — от сравнительно массовых механических или электронных калькуляторов и узкоспециализированных приборов вроде прицелов до научных установок для моделирования элементарных частиц и учебных симуляторов различной техники. Что уж говорить, механические часы до сих пор в ходу — это тоже аналоговый компьютер, считающий секунды, минуты и часы с момента старта своей работы. А логарифмической линейкой по-прежнему должен уметь пользоваться каждый уважающий себя инженер.

С ростом плотности упаковки транзисторов на кристаллах процессоров все ближе физические пределы производительности микросхем. Поэтому идет активный поиск архитектурных и компоновочных решений, позволяющих наращивать вычислительную мощь микроэлектроники. Один из путей — высокая специализация отдельных блоков, из которых состоят микропроцессоры. В современных чипах есть отдельные «секции», отвечающие, например, только за обработку изображений и оцифрованных сигналов или ускоряющие работу нейросетевых алгоритмов.

Но их возможности тоже не безграничны. А учитывая, что во многих микросхемах для потребительской электроники предназначенные для универсальных задач модули занимают меньшую площадь кристалла, чем специализированные блоки и кэш, можно сказать, что и этот предел не за горами.

Оптический аналоговый нанокомпьютер
Сканирующая электронная микроскопия кремниевой матрицы из «решеток» для аналогового оптического компьютера. Масштабная линейка — 500 нанометров / ©https://doi.org/10.1038/s41565-022-01297-9

Существует решение, и оно не ново — гибридные компьютеры, в которых некоторые функции отданы на откуп старым, добрым аналоговым модулям. Ведь при определенных условиях они могут быть радикально эффективнее цифровых. Но и здесь есть лимит: аналоговый компьютер, даже если он часть большего, все равно остается крайне узкоспециализированным, перепрограммировать его на другие задачи практически невозможно.

Тем не менее, если найти такую задачу, которая возникает часто и в прикладных программах широкого профиля, предназначенный строго для нее аналоговый вычислитель в составе микросхемы должен дать большой рост эффективности. Именно в этом направлении пошла американо-нидерландская команда исследователей: ученые рассчитали, смоделировали и создали в лаборатории аналоговые ячейки, способные решать интегральные уравнения Фредгольма. Они часто встречаются в задачах обработки сигналов, моделировании сложных и стохастических систем, а также в распознавании, генерации и обработке изображений.

Оптический аналоговый нанокомпьютер
Продольный срез массива готовых аналоговых оптических вычислителей, в кадре видны две ячейки. Изображение получено методом сканирующей электронной микроскопии, масштабная линейка — 500 нанометров / ©https://doi.org/10.1038/s41565-022-01297-9

Разработка представляет собой структуру из метаматериала, особым образом преломляющую, переотражающую и переизлучающую свет. На слой оксида алюминия (сапфировое стекло) наносится решетка из кремния — фактически наросты сложной формы. Она неслучайна и определяется тем, какое уравнение будет решать ячейка, — это аналоговый оператор в уравнении. Поверх нее ложится слой-наполнитель из оксида кремния, который накрывается тончайшей (15 нанометров) пленкой золота. Последняя играет роль полупрозрачного зеркала.

Когда луч попадает через золотое покрытие внутрь ячейки, он преломляется и отражается от кремниевой решетки. Часть фотонов проходит сквозь, часть — возвращается на зеркало и отражается обратно. Таким образом выполняется процесс, эквивалентный последовательному интегрированию приближенной функции, причем буквально со скоростью света. Из ячейки излучение может выйти только со стороны стекла, и его характеристики можно измерить — они как раз будут решением уравнения.

Оптический аналоговый нанокомпьютер
Принципиальная схема экспериментальной установки, на которой проверялась работоспособность оптического аналогового компьютера. Несколько лет назад такие ячейки из метаматериалов показали себя эффективными в задачах распознавания изображений на лету — они успешно детектировали края объектов практически без затрат вычислительной мощности. Теперь пришла очередь выполнения вычислений / ©https://doi.org/10.1038/s41565-022-01297-9

Во время эксперимента «обсчет» приближенного решения интегрального уравнения Фредгольма до целевого порога точности занял около 349 фемтосекунд. Это на порядок меньше, чем время переключения самого быстрого транзистора (1,2 пикосекунды) и на три порядка меньше, чем время, за которое происходит один такт десктопного процессора (около 330 пикосекунд при частоте в три гигагереца). Такие аналоговые оптические вычислители группируются в матрицы на подложке и могут быть оптимизированы под различные уравнения. Размер каждой — 400 на 800 нанометров, толщина — около 640 нанометров, не считая сапфировой подложки.

О коммерческом внедрении подобных элементов в микропроцессоры речи пока не идет, технология сырая. Но перспективы у нее огромны: даже с учетом необходимости, помимо самих ячеек, размещать на чипе излучатель и приемник потенциальная экономия пространства кристалла впечатляет. Один аналоговый оптический вычислитель занимает площадь менее чем полусотни транзисторов, если учитывать самый современный техпроцесс TSMC — пять нанометров. А выполняет работу, пусть и строго в одной задаче, но целого чипа.

Научная работа с описанием всех тонкостей технологии, особенностей реализации, а также множеством формул опубликована в рецензируемом журнале Nature Nanotechnology. В открытом доступе на портале arXiv есть препринт статьи, но он не обновлялся с прошлого февраля, а значит, если при рецензировании вносили правки, этот вариант документа их лишен.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Вчера, 07:03
Мария Азарова

Ученые провели эксперимент, в котором манипулировали кишечной микробиотой мужчин с помощью пищевых добавок. Так удалось показать, что состав микробиома влияет на решение добиваться справедливости для себя, «альтруистически» наказывая оппонента.

Вчера, 12:38
Полина Меньшова

Страшные сны и галлюцинации могут быть ранним признаком аутоиммунных заболеваний, в том числе системной красной волчанки. К такому выводу пришла международная группа исследователей, опросив пациентов и врачей.

Позавчера, 13:37
Андрей

Биологи изучили мобильность транспортных потоков в крупных городах с разной топологией при помощи саранчи. Насекомых выпускали побродить по улицам спроектированных городских моделей, чтобы выяснить, где они будут сбиваться в рой. Результаты оказались неочевидными.

Позавчера, 08:35
Полина Меньшова

Британский учитель географии Грэм Сеньор работал в саду и случайно обнаружил в земле небольшой прямоугольный камень. Оказалось, что на артефакте высечен текст, написанный с помощью древнего кельтского алфавита огам.

18 мая
Полина Меньшова

При гипертонии пациентам рекомендуют аэробные тренировки, включающие в себя, например, ходьбу, бег, танцы, езду на велосипеде. Но такая физическая нагрузка положительно влияет на артериальное давление только в вечернее время, выяснили физиологи из Бразилии и США.

19 мая
Александр Березин

Миссия NS-25 стала первой после длительной приостановки полетов New Shepard — полностью многоразового суборбитального носителя и корабля. Джефф Безос, владелец Amazon, 24 года назад создавший компанию Blue Origin, некогда планировал, что этот носитель станет базой для серьезной выручки от космического туризма.

24 апреля
Ольга Иванова

Ученые из Австралии и Канады пришли к выводу, что подавляющее большинство одиноких людей не вступает в романтические отношения из-за страха. С одной стороны ими руководят опасения, что их отвергнут, с другой — что они потеряют свою независимость.

15 мая
НИУ ВШЭ

Международный коллектив исследователей при участии ученых из Института когнитивных нейронаук НИУ ВШЭ изучил, как выбор иностранного языка влияет на когнитивные способности человека. Оказалось, что языки, непохожие на родной, стимулируют когнитивную функцию на начальном этапе их изучения, а близкие к родному имеют отложенный эффект и помогают мозгу эффективнее работать при более высоком уровне владения иностранным языком.

3 мая
Василий Парфенов

Ледяной покров Антарктики претерпевает значительные изменения на протяжении года, и его поведение хорошо изучено в общем. Но некоторые локальные аномалии объяснить не получается вот уже несколько десятилетий. Одна из них — полынья возвышения Мод, или полынья моря Уэдделла, которая появляется нерегулярно на одном и том же месте. Международная команда океанологов, наконец, смогла разгадать механизмы ее образования.

[miniorange_social_login]

Комментарии

2 Комментария

Affidavit Donda
18.01.2023
-
0
+
Остаётся один вопрос. С какой скоростью считываются и оцифровываются результаты вычислений этого аналогового вычислителя?
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: