Невроморфно изчисление с оптично управлявана нелинейна динамика на флуидите

25 юли 2022 г

(Новини на Nanowerk) Слънчевата светлина, искряща върху вода, предизвиква богатите явления на взаимодействие течност-светлина, обхващащи пространствени и времеви мащаби. Докато динамиката на течностите очарова изследователите от десетилетия, възходът на невроморфните изчисления предизвика значителни усилия за разработване на нови, нетрадиционни изчислителни схеми, базирани на повтарящи се невронни мрежи, които са от решаващо значение за поддържането на широк спектър от съвременни технологични приложения, като разпознаване на образи и автономни шофиране .

Тъй като биологичните неврони също разчитат на течна среда, може да се постигне конвергенция чрез пренасяне на наномащабна нелинейна динамика на флуидите към невроморфно изчисление.

Изследователи от Калифорнийския университет в Сан Диего наскоро предложиха нова парадигма, при която течностите, които обикновено не взаимодействат силно със светлината на микро- или наномащаб, поддържат значителен нелинеен отговор на оптичните полета.

Както съобщи в Разширена фотоника („Тънък течен филм като оптична нелинейно-нелокална среда и елемент на паметта в интегриран оптофлуиден резервоарен компютър“), изследователите прогнозират значителен ефект на взаимодействие светлина-течност чрез предложен наномащабен златен пластир, работещ като оптичен нагревател и генериращ промени в дебелината на течен филм, покриващ вълновода. Резултат от симулация на светлина, засягаща геометрията на течността Резултат от симулация на светлината, засягаща геометрията на течността, което от своя страна влияе върху свойствата на отражение и предаване на оптичния режим, като по този начин представлява двупосочен механизъм на взаимодействие светлина-течност. Степента на деформация служи като оптична памет, позволяваща да се съхранява величината на мощността на предишния оптичен импулс и да се използва динамиката на флуида, за да се повлияе на последващия оптичен импулс в същата област на задействане, като по този начин се създава архитектура, в която паметта е част от изчислителния процес. (Изображение: Gao et al.)

Течният филм функционира като оптична памет. Ето как работи: Светлината във вълновода влияе върху геометрията на повърхността на течността, докато промените във формата на повърхността на течността засягат свойствата на оптичния режим във вълновода, като по този начин представляват взаимно свързване между оптичния режим и течния филм . Важно е, че тъй като геометрията на течността се променя, свойствата на оптичния режим претърпяват нелинеен отговор; след като оптичният импулс спре, големината на деформацията на течния филм показва силата на предишния оптичен импулс.

Забележително е, че за разлика от традиционните изчислителни подходи, нелинейният отговор и паметта се намират в една и съща пространствена област, като по този начин предполагат реализацията на компактна (отвъд von-Neumann) архитектура, където паметта и изчислителната единица заемат едно и също пространство. Изследователите демонстрират, че комбинацията от памет и нелинейност позволява възможността за “резервоарно изчисление”, способно да изпълнява цифрови и аналогови задачи, като нелинейни логически порти и разпознаване на ръкописни изображения.

Техният модел също така използва друга важна течна характеристика: нелокалност. Това им позволява да предскажат изчислително подобрение, което просто не е възможно в платформи за твърди материали с ограничен нелокален пространствен мащаб. Въпреки нелокалността, моделът не постига съвсем нивата на съвременните изчислителни системи за резервоар, базирани на твърда оптика, но въпреки това работата представя ясна пътна карта за бъдещи експериментални работи, целящи валидиране на прогнозираните ефекти и изследване на сложни механизми на свързване на различни физически процеси в течна среда за изчисление.

Използвайки мултифизични симулации за изследване на свързването между светлината, динамиката на флуидите, топлинния транспорт и ефектите на повърхностното напрежение, изследователите прогнозират семейство от нови нелинейни и нелокални оптични ефекти. Те отиват крачка напред, като посочват как те могат да бъдат използвани за реализиране на многостранни, неконвенционални изчислителни платформи. Възползвайки се от зряла платформа за силиконова фотоника, те предлагат подобрения на най-съвременните изчислителни платформи, подпомагани от течности, с около пет порядъка в космоса и най-малко два порядъка в скоростта.