Профессор инженерного дела VCU помогает проложить путь к более мощным вычислениям

30 августа 2023 г.

Профессор инженерного дела Университета Содружества Вирджинии проливает новый свет на концепцию, существующую уже несколько десятилетий, которая может стимулировать прогресс от национальной обороны к беспилотным автомобилям и телекоммуникациям.

Натаниэль Кинси, доктор философии, профессор инженерного факультета кафедры электротехники и вычислительной техники VCU, возглавляет группу исследователей, которые изучают новые возможности в области оптических вычислений и машинного обучения. Сосредоточившись на нанофотонике, он изучает взаимодействие света с материалами в мельчайших масштабах.

Хотя концепция оптических вычислений не нова, интерес и финансирование уменьшились в 1980-х и 1990-х годах, поскольку обработка кремниевых чипов оказалась более рентабельной. Но недавнее замедление масштабирования кремниевых технологий открыло дверь для пересмотра методов обработки данных.

«Оптические вычисления могут стать следующим большим достижением в компьютерных технологиях», — сказал Кинси. «Но есть много других претендентов, таких как квантовые вычисления, на следующее новое присутствие в вычислительной экосистеме. Что бы ни случилось, я думаю, что фотоника и оптика будут все более и более преобладать в этих новых способах вычислений».

Во-первых, быстрая связь между человеком и машиной: нейрон — это клетка мозга, которая помогает людям думать, и в том же духе искусственная нейронная сеть помогает машинам учиться — например, это то, что помогает Siri понимать наши подсказки и отвечать на них. Одним из мощных компонентов нейронной сети является перцептрон, и Кинси планирует использовать свет (оптические сигналы) вместо традиционной цифровой обработки (электрические сигналы) для создания этого компонента. Его работа над «нелинейными оптическими перцептронами» получила финансирование от Управления научных исследований ВВС, а Министерство обороны рассматривает оптические вычисления как многообещающий шаг вперед в области военной визуализации.

«Допустим, вы хотите найти танк на изображении», — сказал Кинси. «Использование камеры для захвата сцены, преобразования этого изображения в электрический сигнал и пропускания его через традиционный компьютерный процессор на основе кремниевых схем требует большой вычислительной мощности, особенно когда вы пытаетесь обнаружить, передать и обработать изображения с высоким разрешением. резолюции. С помощью нелинейно-оптического перцептрона мы пытаемся выяснить, можем ли мы выполнять те же виды операций исключительно в оптической области, не переводя ничего в электрические сигналы.

«Устранение или минимизация использования электроники уже несколько лет является своего рода инженерным Святым Граалем», — добавил Кинси. «Для ситуаций, когда информация естественным образом существует в форме света, почему бы не использовать систему оптического входа и выхода без электроники посередине?»

Линейные оптические системы, такие как фотонные интегральные схемы, распространенные в оптоволоконной связи, потребляют ограниченную энергию, но не способны выполнять сложную обработку изображений. Создание нелинейных оптических систем расширит функциональные возможности, что сделает их идеальными для платформ дистанционного зондирования на дронах и спутниках – например, для идентификации танков или передвижения войск в рамках системы раннего предупреждения. Исследование Кинси направлено на определение влияния дополнительных требований к питанию в нелинейных оптических вычислениях.

Существуют также потенциальные невоенные применения, даже если до потребительского применения могут пройти годы. В беспилотных автомобилях оптические вычисления могут улучшить LiDAR — оборудование для обнаружения света и измерения дальности, которое отслеживает препятствия и помогает поддерживать безопасную дистанцию. Для микробиологов темнопольная микроскопия может быть улучшена для исследования клинических образцов. В телекоммуникациях оптические нейронные сети могут считывать адресные метки и отправлять пакеты данных без использования электроники.

В рамках исследования Кинси и его коллеги из Национального института стандартов и технологий, в том числе Дхрув Фомра, один из бывших докторов философии Кинси. студенты ВЦУ – работают над созданием нового вида оптически чувствительного материала. Их цель — спроектировать и произвести устройство, сочетающее в себе уникальный материал, называемый эпсилон-околонулевой, и наноструктурированную поверхность, обеспечивающую улучшенный контроль над передачей и отражением света — и с ограниченными потребностями в энергии, поскольку свет изгибается и формируется вдоль поверхность для обработки данных.