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Jul 29, 2023

相互接続された導波路を介した時間導関数

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13126 (2023) この記事を引用 5013 アクセス 3 Altmetric Metrics の詳細 電磁波ベースのアナログ コンピューティングは興味深いコンピューティングになりました

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13126 (2023) この記事を引用

5013 アクセス

3 オルトメトリック

メトリクスの詳細

電磁波ベースのアナログ コンピューティングは、高スループット、低電力、並列処理の可能性を示す興味深いコンピューティング パラダイムとなっています。 この研究では、伝送線路技術を利用して時間信号の導関数を計算する手法を提案します。 複数の相互接続された導波路 (一部は閉端スタブ) が接合部を形成していると考えます。 提案された構造の透過係数は、時間領域で正弦波変調された入射信号の包絡線に微分演算が直接適用されるように、接合部のスタブの長さと数を制御することによって調整されます。 提案された構造の背後にある物理学が詳細に説明され、この操作の完全な理論的説明が提示され、この手法を使用して高次または分数時間導関数を計算する方法が実証されます。 私たちは、これらの結果により、導波路接合を活用することにより、さらなる時間領域のウェーブベースのアナログプロセッサの開発が可能になり、ウェーブベースのシングルオペレータおよびシステムに新たな機会が開かれる可能性があると考えています。

近年、主にムーアの法則で説明される歴史的な計算速度の向上率を維持することがますます困難になっていることから、新しいコンピューティング パラダイムの必要性が浮上しています 1,2。 これに関連して、電磁 (EM) 信号を利用するアナログ コンピューティングは、そのような有望なパラダイムの一例です。 これは、高速コンピューティングの可能性 (電磁波が伝わる物質内を光速で伝播する) と、EM コンピューティング技術に関連する固有の並列性 3、4、5 (単一の構造で計算を行うように設計できる場合) によるものです。たとえば、入射信号の異なる入射偏光、周波数、または角度を利用することによる複数のコンピューティング プロセス6、7、8、9)。 アナログ コンピューティングの注目に値する例であり、おそらくこの分野の創設作品の 1 つは、1935 年にハートリーによって最初に報告された微分アナライザーです10。このようなデバイスは、差動歯車の回転を通じて微分方程式の解を見つけることができ、連続出力ソリューション (つまり、機械式コンピューティング デバイス)。 EM 波のコンテキストでは、アナログ プロセッサは、空間または時間領域の EM 波面に数学演算子を直接適用することで方程式の解を計算するようにこの原理を適応させるように設計されています11。

この領域では、最近、電磁波ベースのコンピューティング構造のさまざまな例が報告されています。たとえば、行列反転 12、13、14、15、導波路ネットワークによる横電磁 (TEM) パルス スイッチング 16、17、 18、19、および誘電体多層を使用したアナログコンピューティング11、20。 さらに、メタマテリアル 21,22、空間と時間の波に対して優れた制御を示すことができる人工媒体 23,24,25,26,27,28,29,30,31 の導入により、最初に「計算メタマテリアル」の概念が生まれました。 2014 年に Silva らによって導入されました。11。 それ以来、微分や畳み込み 7,32,33,34,35,36,37 などの演算を実行するだけでなく、常微分方程式などのより複雑な演算の解を計算するコンピューティング用のメタマテリアルの注目すべき例が提案および実証されてきました。および積分方程式6、34、38。 信号処理のためのアナログ コンピューティングでは、導関数の計算は、画像/信号認識タスクの重要な最初のステップであるエッジ検出を可能にするため、特に重要なタスクです32。 さまざまな電磁波ベースのアナログプロセッサが空間領域と時間領域の両方で一次微分を実行することが報告されており、その例には、メタマテリアルブロック/メタ表面の誘電率分布または反射/透過スペクトルを調整することによって設計された構造が含まれます9、32、33、34。 38、39。 実際には、多くの場合、多層構造の誘電体層の長さや 2D グリッドのピクセルの誘電率など、いくつかの設計パラメータを微調整する必要があります 9、11、20。 この目標を達成するために、最近、ファイバーグレーティング 40、41、マッハツェンダー干渉計 42、高度な最適化お​​よび逆設計 43、44、さらには機械学習アプローチ 20、45、46 など、さまざまな設計手法が適用され実証されています。