• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
18 января
Василий Парфенов
2
3 359

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

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
4 часа назад
Ольга Иванова

Немецкие ученые проанализировали данные общенациональных исследований и пришли к выводу, что с марта 2022 года в больницах Германии с поразительной частотой наблюдаются случаи устойчивости к антибиотикам последней инстанции. Выяснилось, что неубиваемые патогены, по-видимому, принесли в страну украинские беженцы.

Позавчера, 19:19
Василий Парфенов

«Недостаточно комковатая» — так описал обнаруженную аномалию один из авторов нового исследования. В нем на основе наблюдений сразу двух обсерваторий, работающих с разными диапазонами излучений, удалось создать карту распределения материи во Вселенной с беспрецедентной точностью. Благодаря этому выяснилось, что стандартная модель — главная современная теория мироустройства, описывающая все частицы, поля и взаимодействия, кроме гравитации — имеет все шансы быть неполной.

Вчера, 13:41
Анна Новиковская

В черных дырах заключено множество тайн, и теперь астрономам удалось раскрыть одну из них: почему раскаленные диски вокруг них иногда мерцают.

2 февраля
НИУ ВШЭ

Изучая потребление алкоголя, экономисты и социологи обычно связывают его с условиями жизни людей и их человеческим капиталом: образованием, опытом работы, знаниями. Ученые из Лаборатории исследований рынка труда и Лаборатории экономико-социологических исследований НИУ ВШЭ обратили внимание на некогнитивные навыки, формирующиеся в детстве и подростковом возрасте, и выяснили, что эти качества во многом определяют вероятность злоупотребления спиртным и сокращают степень влияния образования.

4 часа назад
Ольга Иванова

Немецкие ученые проанализировали данные общенациональных исследований и пришли к выводу, что с марта 2022 года в больницах Германии с поразительной частотой наблюдаются случаи устойчивости к антибиотикам последней инстанции. Выяснилось, что неубиваемые патогены, по-видимому, принесли в страну украинские беженцы.

1 февраля
Сергей Васильев

Американский стартап, занятый возвращением к жизни вымерших животных, объявил о начале работы с додо — почти легендарными птицами, которых люди перебили еще несколько веков назад.

10 января
Алиса Гаджиева

Исследователи, изучающие систему обороны Великой стены, обнаружили следы более 130 секретных сквозных проходов и полагают, что это только начало.

25 января
Василий Парфенов

Пока фанаты SpaceX увлеченно следят за достижениями компании, астрономы грустно наблюдают, как их работа становится сложнее с каждым запуском спутников Starlink. Прогресс не проходит без жертв. Поэтому различные научные ассоциации ищут способы снизить негативное влияние множества новых рукотворных объектов в околоземном пространстве на качество данных, получаемых телескопами. Некоторые решения со стороны выглядят экстремальными — например, теперь лазеры для корректировки адаптивной оптики можно не выключать, если в поле зрения есть спутник Starlink. А это десятки ватт излучения!

5 января
Александра Медведева

Биологи показали, что нейронные сети гиппокампа, ответственные за пространственное восприятие, изменяются не линейным образом, а в соответствии с гиперболической геометрией. То есть мозг представляет пространство в форме расширяющихся песочных часов. Результаты исследования могут иметь значение для лучшего понимания различных нейродегенеративных расстройств.

[miniorange_social_login]

Комментарии

2 Комментария

3 недели назад
-
0
+
Остаётся один вопрос. С какой скоростью считываются и оцифровываются результаты вычислений этого аналогового вычислителя?
Подтвердить?
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: