โครงสร้างโฟโตนิกทำการคูณเวกเตอร์–เมทริกซ์

เผยแพร่ซ้ำโดยเพลโต

ผู้ติดตาม: 0

นวัตกรรมโฟโตนิค — นวัตกรรมโฟโตนิก: นักวิจัยในสหรัฐอเมริกาได้สร้างวัสดุเชิงแสงที่สามารถทำการคูณเวกเตอร์-เมทริกซ์ได้ (เอื้อเฟื้อโดย: iStock/Henrik5000)

มีการเปิดเผยแพลตฟอร์มโฟโตนิกส์ซิลิคอนใหม่ที่สามารถดำเนินการทางคณิตศาสตร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าการออกแบบก่อนหน้านี้ นาเดอร์ เอนเคตา และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยเพนซิลวาเนีย ทีมงานในสหรัฐฯ หวังว่าระบบของตนจะช่วยเร่งความก้าวหน้าในการประมวลผลแบบออปติคอล

คอมพิวเตอร์ออปติคัลแบบอะนาล็อกสามารถคำนวณบางอย่างได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าคอมพิวเตอร์ดิจิทัลทั่วไป ทำงานโดยการเข้ารหัสข้อมูลเป็นสัญญาณแสงแล้วส่งสัญญาณผ่านส่วนประกอบทางแสงที่ประมวลผลข้อมูล การประยุกต์ใช้งานได้แก่ การสร้างภาพด้วยแสง การประมวลผลสัญญาณ และการแก้สมการ

ส่วนประกอบเหล่านี้บางส่วนสามารถสร้างขึ้นจากวัสดุโฟโตนิกซึ่งมีอาร์เรย์ของโครงสร้างที่มีขนาดพอๆ กันหรือเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสง ด้วยการควบคุมขนาดและการกระจายของโครงสร้างเหล่านี้อย่างระมัดระวัง สามารถสร้างส่วนประกอบการประมวลผลข้อมูลต่างๆ ได้

ต่างจากเลนส์และฟิลเตอร์ขนาดใหญ่ที่ใช้ในการสร้างคอมพิวเตอร์ออปติคัลแบบอะนาล็อกเครื่องแรก อุปกรณ์ที่ใช้วัสดุเมตาโฟนิกมีขนาดเล็กกว่าและรวมเข้ากับวงจรขนาดกะทัดรัดได้ง่ายกว่า

การดำเนินการทางคณิตศาสตร์

ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา ทีมงานของ Engheta ได้มีส่วนสำคัญหลายประการในการพัฒนาส่วนประกอบดังกล่าว เริ่มต้นในปี 2014 พวกเขาแสดงให้เห็นว่าวัสดุ metamaterials โฟโตนิกสามารถนำมาใช้ในการดำเนินการทางคณิตศาสตร์กับสัญญาณแสงได้

พวกเขาได้ขยายการวิจัยนี้ตั้งแต่นั้นมา “ในปี 2019 เราได้นำเสนอแนวคิดเกี่ยวกับวัสดุเมตาที่สามารถแก้สมการได้” Engheta กล่าว “จากนั้นในปี 2021 เราได้ขยายแนวคิดนี้ไปสู่โครงสร้างที่สามารถแก้สมการได้มากกว่าหนึ่งสมการในเวลาเดียวกัน” ในปี 2023 ทีมงานได้พัฒนาแนวทางใหม่ในการผลิตเมตาแท็กเชิงแสงแบบบางเฉียบ

Engheta และเพื่อนร่วมงานได้เล็งเห็นถึงการคูณเวกเตอร์-เมทริกซ์ ซึ่งเป็นการดำเนินการที่สำคัญสำหรับโครงข่ายประสาทเทียมที่ใช้ในระบบปัญญาประดิษฐ์บางระบบ ทีมงานได้สร้างโครงสร้างนาโนโฟโตนิกตัวแรกที่สามารถทำการคูณเวกเตอร์และเมทริกซ์ได้ วัสดุนี้ผลิตขึ้นโดยใช้แพลตฟอร์มซิลิคอนโฟโตนิกส์ (SiPh) ซึ่งรวมส่วนประกอบทางแสงลงบนพื้นผิวซิลิกอน

การออกแบบผกผัน

นักวิจัยยังใช้ขั้นตอนการออกแบบผกผันอีกด้วย แทนที่จะใช้โครงสร้างนาโนที่รู้จักและพิจารณาว่ามีคุณสมบัติทางแสงที่ถูกต้องหรือไม่ การออกแบบผกผันจะเริ่มต้นด้วยชุดของคุณสมบัติทางแสงที่ต้องการ จากนั้นโครงสร้างโฟโตนิกได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมย้อนกลับเพื่อให้มีคุณสมบัติเหล่านั้น เมื่อใช้แนวทางนี้ ทีมงานได้ออกแบบวัสดุที่มีขนาดกะทัดรัดสูงซึ่งเหมาะสำหรับการคูณเมทริกซ์เวกเตอร์ด้วยแสง

สวิตช์โพลาไรซ์ทำให้คอมพิวเตอร์โฟโตนิกเร็วมาก

“ด้วยการผสมผสานวิธีการออกแบบผกผันกับแพลตฟอร์ม SiPh เราสามารถออกแบบโครงสร้างที่มีขนาดประมาณ 10-30 ไมครอน โดยมีความหนาของซิลิคอนอยู่ระหว่าง 150–220 นาโนเมตร” Engheta อธิบาย

ทีมงานกล่าวว่าแพลตฟอร์มโฟโตนิกใหม่สามารถทำการคูณเวกเตอร์และเมทริกซ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าเทคโนโลยีที่มีอยู่ Engheta ยังชี้ให้เห็นว่าแพลตฟอร์มดังกล่าวมีความปลอดภัยมากกว่าระบบที่มีอยู่อีกด้วย “เนื่องจากการคำนวณการคูณเวกเตอร์-เมทริกซ์นี้ดำเนินการเชิงแสงและพร้อมกัน เราจึงไม่จำเป็นต้องจัดเก็บข้อมูลขั้นกลาง ดังนั้นผลลัพธ์และกระบวนการจึงเสี่ยงต่อการถูกแฮ็กน้อยกว่า”

ทีมงานคาดหวังว่าแนวทางของพวกเขาจะมีผลกระทบที่สำคัญต่อการนำปัญญาประดิษฐ์ไปใช้

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน Photonics ธรรมชาติ.