纳米光子模拟加速器

美国乔治·华盛顿大学的研究人员开发了一种纳米光子模拟加速器，可以芯片级集成，以光速处理任意输入，能在几分之一秒内解决具有挑战性的工程和科学问题，即偏微分方程。相关研究发表在《Communications Physics》上。

当前的计算任务具有较高的复杂性，因此需要较高的计算成本。当今数字计算的一个主要关键点与所需的计算能力有关，这与问题的复杂性不相称。出于这个原因，开发创新的模拟加速器，可以通过解决特定的复杂过程来减轻传统计算机的负担，有望显着降低能源消耗，并可以促进下一代异构计算系统的发展。模拟计算机并不是最近的发明，事实上，在数字时代之前，它在人类历史中已经根深蒂固，被广泛应用于各种领域。虽然数字处理在过去50年中占据主导地位，但最近，几个研究小组探索了创新解决方案，以解决日益增长的计算对业务的限制。这一趋势有利于几种非冯·诺依曼硬件架构的发展，这些架构旨在将特定算法直接同态映射到硬件中。模拟存储器、用于深度学习应用的神经形态光子学、用于高速卷积的光学协处理器、积分方程求解器和量子模拟计算机只是目前探索的模拟架构的一些例子，它们可以比传统数字处理器更有效地处理复杂任务。

其中一项数学任务是利用这些范例，并尽可能从模拟协处理器中得到帮助，本研究的目标是求解偏微分方程（PDE）。事实上，许多科学和工程问题需要偏微分方程的求解，例如热力学问题、飞机设计问题以及电气和机械工程领域的其他问题。为了解决多维偏微分方程，当前的处理器需要大量（迭代）运算，这些运算是计算密集型的，并且基于复杂性，需要大量的内存和功率。能够求解偏微分方程的模拟计算机自 1950 年代以来就已实现；主要使用电阻或电抗元件的网络或网格来模拟物理量的空间分布，例如电压、电流和功率（在配电网络中）、空间中的电势、固体材料中的应力、温度（在热扩散问题中）、压力、流体流速和波幅。然而，有效集成高速可编程且同时具有高能效的静态类模拟网格的复杂性显着降低了该技术的进步。

新的计算系统通常由新的硬件平台支持，例如超电子学，它在十年前由 Engheta 引入，作为光学的一个分支，专注于通过超材料启发的光学纳米电路在纳米尺度上控制光。因此，元电子学为设计密集电路和模拟计算范式提供了一条途径。尽管发现了多种应用，例如用于光信号的超薄亚波长滤波器、用于执行数学运算的电路以及用于模拟量子系统的哈密顿量，但其作为实现紧凑型模拟可重编程处理器的替代集成平台的应用仍然有待解决。到目前为止，metatronic 概念的适用性受到四个主要因素的限制：(a) 缺乏实现其单个电路元件所需的材料，(b) 缺乏用于直接制造的受控过程，(c)缺乏可重编程性，“写”，以及 (d) 访问结果的困难，“读”。

图1，纳米光子模拟加速器，可以在几分之一秒内解决具有挑战性的工程和科学问题，即偏微分方程。来源：马里奥·米斯库里奥 (Mario Miscuglio)

这里，研究人员介绍了一种基于 metatronic 纳米电路板的纳米级可编程模拟处理器，旨在将有限差分偏微分方程映射到类似于电阻网络的网格上，该处理器在光通信频带中运行。他们从数学上证明了模拟集总元件电路的metatronic电路的网格电流法可以映射出求解稳态拉普拉斯方程的有限差分网格，并通过推广，映射出其他时变二阶椭圆偏微分方程。此外，与电阻网络相比，数值结果表明，该技术可用于高精度（90%）求解偏微分方程。

理论框架外，他们展示了基于气槽网格的超紧凑纳米光学电路设计，其雕刻在氧化铟锡 (ITO) 基板上，在该材料 ε接近零 (ENZ)的波长下运行。他们展示了这种模拟集总电路的元电子电路，展示了使用有限差分求解偏微分方程的能力。研究证明，在实验衍生的光学表征和沉积技术控制的辅助下，ITO 纳米元件表现出电阻、电感和电容行为，使用不同的溅射条件溅射，可以嵌入空气凹槽中。通过载流子积累/耗尽以高速静电微调它们的光学特性，可以近似求解各种偏微分方程，包括拉普拉斯方程、泊松方程、扩散方程和波动方程。这种模拟处理器特别适合在边界条件和网络元素上重新编程，尺寸仅受欧姆损耗的限制。也就是说，一旦芯片被设置为特定的边界条件，在芯片中传播的电磁波的传输时间内，可以轻松地计算获得近似离散解的功耗。

未来将致力于基于近场光学显微镜测量的全光读出模式的实现，提供纳米光学电路给定点的局部介电位移信息，从而允许以离散化方式提取计算结果。这种波长级模拟计算节点可以在紧凑高效的信号处理、计算或人工智能中提供多种功能。