Решение интегральных уравнений с использованием оптического компьютера заняло меньше одной пикосекунды

Новости МирТесен

Американские ученые разработали метаматериал, на основе которого созданы аналоговые оптические вычислительные элементы. При попадании на них светового луча, характеристики которого (угол падения, поляризация или длина волны) соответствуют элементам математической матрицы, на выходе формируется излучение с измененными параметрами, отражающее решение поставленного уравнения. Скорость работы таких вычислительных устройств на несколько порядков превышает производительность электронных процессоров, даже если это специализированные микросхемы, а не универсальные.

В русском языке слово «компьютер» обычно относится к цифровой электронной вычислительной машине (ЦЭВМ). Помимо широко распространенных устройств, таких как настольные ПК, ноутбуки, смартфоны и серверы, существуют и специализированные компьютеры, например, сетевое оборудование или контроллеры для промышленных установок. Однако, за редкими исключениями, архитектура всех современных компьютеров универсальна и многофункциональна.

Именно это свойство позволило цифровым компьютерам, благодаря их более низкой стоимости при массовом производстве и технологичности, заменить аналоговые устройства. Хотя до середины XX века последние широко применялись – от распространенных механических или электронных калькуляторов и узкоспециализированного оборудования вроде оптических прицелов, до научных установок для моделирования субатомных частиц и тренажеров различной техники. Механические часы по-прежнему в использовании — это аналоговый компьютер, отсчитывающий секунды, минуты и часы с момента запуска. А умение пользоваться логарифмической линейкой остается важным навыком для инженера.

По мере увеличения плотности размещения транзисторов на кристаллах процессоров, производительность микросхем приближается к физическим ограничениям. В связи с этим, активно ведутся поиски архитектурных и компоновочных решений, направленных на повышение вычислительной мощности микроэлектроники. Одним из подходов является высокая степень специализации отдельных блоков, из которых состоят микропроцессоры. В современных чипах присутствуют специализированные «секции», предназначенные, например, для обработки изображений и оцифрованных сигналов, или для ускорения нейросетевых алгоритмов.

Их возможности также ограничены. Более того, поскольку в потребительской электронике часто используются универсальные модули, занимающие меньшую площадь кристалла по сравнению со специализированными блоками и кэшем, этот предел уже близок.

Решение этой проблемы существует – это гибридные вычислительные системы, сочетающие цифровые технологии со старыми проверенными аналоговыми модулями. В определенных ситуациях последние могут демонстрировать значительно большую производительность по сравнению с цифровыми альтернативами. Однако и здесь есть свои ограничения: даже если он является частью более сложной конструкции, аналоговый компьютер остается узкоспециализированным инструментом, его перенастройка для выполнения других операций затруднительна.

Несмотря на это, при наличии задачи, регулярно возникающей в прикладных программах общего назначения, специализированный аналоговый вычислитель, интегрированный в микросхему, способен значительно повысить эффективность. Именно в этом направлении работала американо-нидерландская группа исследователей: они рассчитали, смоделировали и разработали в лабораторных условиях аналоговые ячейки, предназначенные для решения интегральные уравнения Фредгольма. Их применение широко распространено в задачах, связанных с обработкой сигналов, моделированием сложных и случайных систем, а также в распознавании, создании и обработке изображений.

Предлагаемая конструкция представляет собой сложную систему из метаматериала, способную отклонять, перенаправлять и повторно излучать световой поток. На поверхность слоя оксида алюминия, известного также как сапфировое стекло, наносится структура из кремния – это своего рода наросты необычной формы. Эта конфигурация не случайна; она определяется математическим выражением, которое должна решать данная ячейка, выступая в роли аналогового оператора в уравнении. Сверху располагается слой диэлектрика на основе оксида кремния, покрытый ультратонкой (15 нм) пленкой золота, выполняющей функцию полупрозрачного отражателя.

Когда световой луч проникает сквозь золотое покрытие вглубь ячейки, он подвергается преломлению и многократному отражению от кремниевой решетки. Часть фотонов проходит насквозь структуру, а другая часть возвращается к зеркалу для повторного отражения. Этот процесс можно сравнить с последовательным вычислением приближенного значения функции, причем происходит это практически со скоростью света. Из ячейки излучение выходит только через слой сапфирового стекла, характеристики которого могут быть измерены и представляют собой решение поставленного уравнения.

Вычисление приближенного решения интегрального уравнения Фредгольма до достижения заданной точности в ходе эксперимента потребовало примерно 349 фемтосекунд. Этот показатель на порядок меньше времени переключения самого быстрого транзистора (1,2 пикосекунды) и на три порядка – времени одного такта десктопного процессора (около 330 пикосекунд при тактовой частоте 3 ГГц). Аналоговые оптические вычислители, объединенные в матрицы, размещаются на подложке и могут быть адаптированы для решения различных уравнений. Размеры каждой матрицы составляют 400 на 800 нанометров, а толщина – приблизительно 640 нанометров, исключая сапфировую подложку.

В настоящее время коммерческое применение этих компонентов в микропроцессорах речи затруднено, поскольку технология находится в стадии разработки. Тем не менее, потенциал у нее значителен: даже с учетом необходимости интеграции излучателя и приемника на кристалле, помимо самих ячеек, достигается заметная экономия пространства кристалла. Один аналоговый оптический вычислитель занимает площадь, эквивалентную менее чем полусотне транзисторов, при использовании современного техпроцесса TSMC — его размеры составляют пять нанометров. При этом он справляется с функциями, которые обычно выполняют целые микросхемы, хотя и специализируется на решении конкретной задачи.

Работа содержит детальное описание технологии, включая особенности ее внедрения и большое количество формул опубликована в рецензируемом журнале Nature Nanotechnology. В открытом доступе на портале arXiv есть препринт статьи, документ не обновлялся с февраля прошлого года, поэтому внесенные при рецензировании изменения в нем отсутствуют.