Профессор инженерного дела VCU помогает проложить путь к более мощным вычислениям

Jul 30, 2023

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.