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Jul 29, 2023

상호 연결된 도파관을 통한 시간 미분

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13126(2023) 이 기사 인용 5013 3 Altmetric Metrics 세부 정보 액세스 전자기파 기반 아날로그 컴퓨팅은 흥미로운 컴퓨팅이 되었습니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13126(2023) 이 기사 인용

5013 액세스

3 알트메트릭

측정항목 세부정보

전자기파 기반 아날로그 컴퓨팅은 높은 처리량, 저전력 및 병렬 작업의 가능성을 보여주는 흥미로운 컴퓨팅 패러다임이 되었습니다. 본 연구에서는 전송선 기법을 활용하여 시간 신호의 도함수를 계산하는 기법을 제안합니다. 우리는 접합을 형성하는 여러 개의 상호 연결된 도파관(일부는 폐쇄형 스터브 포함)을 고려합니다. 그런 다음 제안된 구조의 전송 계수는 접합부에서 스터브의 길이와 개수를 제어하여 조정되며, 미분 작업은 시간 영역에서 정현파로 변조된 입사 신호의 포락선에 직접 적용됩니다. 제안된 구조 뒤에 있는 물리학을 자세히 설명하고 이 작업에 대한 전체 이론적 설명을 제시하여 이 기술을 사용하여 고차 또는 분수 시간 도함수를 계산하는 방법을 보여줍니다. 우리는 이러한 결과가 도파관 접합을 활용하여 추가 시간 영역 파동 기반 아날로그 프로세서의 개발을 가능하게 하고 파동 기반 단일 운영자 및 시스템에 대한 새로운 기회를 열 수 있다고 생각합니다.

최근 몇 년 동안 무어의 법칙1,2에 설명된 역사적 계산 속도 향상 속도를 유지하는 데 어려움이 증가하면서 새로운 컴퓨팅 패러다임이 필요해졌습니다1,2. 이러한 맥락에서 전자기(EM) 신호를 활용하는 아날로그 컴퓨팅은 유망한 패러다임의 예입니다. 이는 고속 컴퓨팅(파동이 이동하는 물질 내에서 빛의 속도로 전파되는 EM파)에 대한 잠재력과 EM 컴퓨팅 기술과 관련된 고유한 병렬성 때문입니다3,4,5(단일 구조가 계산을 위해 설계될 수 있음) 예를 들어 입사 신호의 다양한 입사 편광, 주파수 또는 각도를 활용하여 여러 컴퓨팅 프로세스를 수행합니다6,7,8,9). 아날로그 컴퓨팅의 주목할만한 예이자 이 분야의 기초 작업 중 하나는 1935년 Hartree가 처음 보고한 Differential Analyser입니다1. 이러한 장치는 차동 기어의 회전을 통해 미분 방정식의 해를 찾을 수 있었으며, 연속 출력 솔루션(즉, 기계 컴퓨팅 장치). EM 파동의 맥락에서 아날로그 프로세서는 이 원리를 적용하여 대신 공간 또는 시간 영역의 EM 파면에 수학 연산자를 직접 적용하여 방정식에 대한 해를 계산하도록 설계되었습니다11.

이 영역에서는 매트릭스 반전(12,13,14,15), 도파관 네트워크(16,17)를 이용한 횡전자기(TEM) 펄스 스위칭과 같은 컴퓨팅 작업을 수행할 수 있는 광 네트워크와 같은 EM 파동 기반 컴퓨팅 구조의 다양한 예가 최근 보고되었습니다. 18,19 및 유전체 다층을 사용한 아날로그 컴퓨팅11,20. 또한 공간과 시간의 파동에 대한 뛰어난 제어력을 발휘할 수 있는 인공 매체인 메타물질21,22의 도입으로 인해23,24,25,26,27,28,29,30,31 최초로 “계산 메타물질”이라는 개념이 탄생하게 되었습니다. Silva et al.11에 의해 2014년에 소개되었습니다. 그 이후로 미분 및 회선7,32,33,34,35,36,37과 같은 연산을 수행할 뿐만 아니라 일반 미분 방정식과 같은 보다 복잡한 연산의 해를 계산하는 컴퓨팅용 메타물질의 놀라운 예가 제안되고 시연되었습니다. 및 적분 방정식6,34,38. 신호 처리를 위한 아날로그 컴퓨팅에서 미분 계산은 모든 이미지/신호 인식 작업의 중요한 첫 번째 단계인 가장자리 감지를 가능하게 하기 때문에 특히 중요한 작업입니다. 다양한 EM파 기반 아날로그 프로세서가 공간 및 시간 영역 모두에서 1차 미분을 수행하는 것으로 보고되었으며, 유전율 분포 또는 메타물질 블록/메타표면9,32,33,34의 반사/전송 스펙트럼을 조정하여 설계된 구조를 포함하는 예가 있습니다. 38,39. 실제로 이를 위해서는 다층 구조의 유전층 길이 또는 2D 그리드9,11,20의 픽셀 유전율과 같은 여러 설계 매개변수의 미세 조정이 필요한 경우가 많습니다. 이 목표를 달성하기 위해 최근 섬유 격자40,41, 마하-젠더 간섭계42, 고급 최적화 및 역설계43,44, 기계 학습 접근법20,45,46과 같은 다양한 설계 기술이 적용되고 시연되었습니다.