Scienty

Американские учёные разработали метаматериал для создания аналоговых оптических вычислительных ячеек. При направленном на них световом луче, параметры которого соответствуют элементам математической матрицы, на выходе получается излучение с измененными параметрами, представляющее решение заданного уравнения. Работа таких вычислителей значительно быстрее, чем процессоров, применяемых в электронике, даже специализированных микросхем.

Термин «компьютер» в русском языке тесно связан с цифровой электронной вычислительной машиной. Помимо универсальных устройств, таких как настольные ПК, ноутбуки, смартфоны и серверы, существуют узкоспециализированные компьютеры, например, сетевое оборудование или контроллеры промышленных установок. Тем не менее за некоторыми исключениями архитектура всех современных компьютеров основана на универсальности и многофункциональности.

Благодаря более низкой стоимости производства за счет массовости и технологичности цифровые компьютеры вытеснили аналоговые. В прошлом, до середины XX века, последние применялись повсеместно: от механических или электронных калькуляторов до научных установок для моделирования элементарных частиц. Механические часы — это тоже аналоговый компьютер, считающий секунды, минуты и часы с момента начала работы. Каждый уважающий себя инженер должен уметь пользоваться логарифмической линейкой.

По мере увеличения плотности транзисторов на кристаллах процессоров приближаются физические пределы производительности микросхем. Это провоцирует активный поиск архитектурных и компоновочных решений для повышения вычислительной мощности микроэлектроники. Одним из направлений является высокая специализация отдельных блоков, из которых состоят микропроцессоры. В современных чипах есть отдельные «секции», отвечающие за обработку изображений и оцифрованных сигналов или ускоряющие работу нейросетевых алгоритмов.

Возможности тоже имеют свои границы. Учитывая, что в микросхемах для потребительской электроники модули универсального назначения часто занимают меньше площади кристалла, чем специализированные блоки и кэш, этот предел может быть преодолен вскоре.

Существует решение, не новое — гибридные компьютеры с аналоговыми модулями. В некоторых случаях аналоговые модели могут быть радикально эффективнее цифровых. Но и у этого подхода есть ограничения: аналоговый компьютер, даже в составе гибридной системы, остается узкоспециализированным, перепрограммировать его на другие задачи практически невозможно.

Если обнаружить задачу, часто встречающуюся в прикладных программах широкого спектра, то специализированный аналоговый вычислитель на микросхемной базе сможет обеспечить значительный рост эффективности.
В этом направлении работают американо-нидерландские исследователи: ученые рассчитали, смоделировали и создали в лаборатории аналоговые ячейки, способные решать… интегральные уравнения ФредгольмаЧасто используют их в задачах обработки сигналов, моделировании сложных и случайных систем, а также в распознавании, генерировании и обработке изображений.

Структура разработки основана на метаматериале, который специально преломляет, отражает и излучает свет. На слой оксида алюминия (сапфировое стекло) наносится кремниевая решетка — наросты сложной формы, неслучайной по структуре, так как она определяется уравнением, которое решает каждая ячейка — аналоговый оператор в уравнении. Поверх нее располагается слой-наполнитель из оксида кремния, покрытый тончайшей (15 нанометров) золотой пленкой. Последняя действует как полупрозрачное зеркало.

Луч, проходя через золотое покрытие внутрь ячейки, преломляется и отражается от кремниевой решетки. Некоторые фотоны проходят сквозь неё, другие возвращаются на зеркало и отражаются обратно. В результате выполняется процесс, аналогичный последовательному интегрированию приближенной функции, со скоростью света. Из ячейки излучение выходит только со стороны стекла, и его характеристики поддаются измерению — они представляют собой решение уравнения.

В ходе эксперимента расчет приближенного решения интегрального уравнения Фредгольма до целевого порога точности потребовал около 349 фемтосекунд. Это в десять раз быстрее, чем время переключения самого быстрого транзистора (1,2 пикосекунды), и в тридцать раз быстрее, чем время одного такта десктопного процессора (около 330 пикосекунд при частоте в три гигагереца). Такие аналоговые оптические вычислители группируются в матрицы на подложке и могут быть оптимизированы для различных уравнений. Каждая матрица размером 400 на 800 нанометров и толщиной около 640 нанометров (не считая сапфировой подложки).

Коммерческое внедрение таких элементов в микропроцессоры пока не рассматривается, технология находится на ранней стадии развития. Однако у нее огромные перспективы: даже с учетом необходимости размещения на чипе излучателя и приемника потенциальная экономия пространства кристалла внушительна. Один аналоговый оптический вычислитель занимает площадь менее чем полусотни транзисторов, если учитывать самый современный техпроцесс. TSMC— Пять нанометров. Выполняет работу, пусть и в одном назначении, но целого чипа.

Исследование, detail’ирующее технологию, особенности её применения и содержащее множество формул. опубликована в рецензируемом журнале Nature Nanotechnology. В открытом доступе на портале arXiv есть препринт статьиДокумент есть, но последний раз его редактировали в прошлом феврале. Следовательно, если во время рецензирования вносились изменения, данный вариант не содержит этих правок.