[논문 리뷰] Analog Computing with Metatronic Circuits

Mario Miscuglio, Yaliang Gui외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 10.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 4인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 빛의 속도로 부분 미분 방정식(PDE)을 푸는 아날로그 광학 계산을 가능하게 하는, 칩스케일이며 CMOS 호환성 있는 나노광학 플랫폼을 제안한다. 특히 조절 가능한 인듐주석산화물(Indium-Tin-Oxide, ITO)을 사용한 에프사-근접영역(epsilon-near-zero, ENZ) 물질을 활용하여, 파장 스트레칭과 전기 변위 제어를 통해 고도로 국소적이지 않은, 재구성 가능하고 에너지 효율적인 계산을 실현한다. 전자 빔 주입을 통한 프로그래밍 가능한 광학 응답은 빛의 속도로 작동한다.

ABSTRACT

Analog photonic solutions offer unique opportunities to address complex computational tasks with unprecedented performance in terms of energy dissipation and speeds, overcoming current limitations of modern computing architectures based on electron flows and digital approaches. The lack of modularization and lumped element reconfigurability in photonics has prevented the transition to an all-optical analog computing platform. Here, we explore a nanophotonic platform based on epsilon-near-zero materials capable of solving in the analog domain partial differential equations (PDE). Wavelength stretching in zero-index media enables highly nonlocal interactions within the board based on the conduction of electric displacement, which can be monitored to extract the solution of a broad class of PDE problems. By exploiting control of deposition technique through process parameters, we demonstrate the possibility of implementing the proposed nano-optic processor using CMOS-compatible indium-tin-oxide, whose optical properties can be tuned by carrier injection to obtain programmability at high speeds and low energy requirements. Our nano-optical analog processor can be integrated at chip-scale, processing arbitrary inputs at the speed of light.

연구 동기 및 목표

• 에너지 효율성과 속도에서 디지털 전자 계산의 한계를 극복하기 위해 스케일링된 아날로그 광학 계산을 가능하게 하기 위해.
• 기존 광학 플랫폼에서 아날로그 계산을 위한 모듈성과 재구성 가능성의 부족을 해결하기 위해.
• 실시간으로 광범위한 부분 미분 방정식(PDE) 클래스를 해결할 수 있는 나노광학 프로세서를 구현하기 위해.
• 에프사-근접영역(ENZ) 영역에서 인듐주석산화물(Indium-Tin-Oxide, ITO)의 전자 빔 주입 조절을 통해 고속·저에너지 프로그래밍 가능성을 달성하기 위해.
• 임의의 입력 처리 능력을 지닌 전면 광학 아날로그 프로세서의 칩스케일 통합을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 플랫폼은 에프사-근접영역(ENZ) 물질, 특히 조절 가능한 인듐주석산화물(Indium-Tin-Oxide, ITO)을 사용하여 파장 스트레칭을 통한 강한 비국소적 광학 상호작용을 가능하게 한다.
• 전기 변위장이 ENZ 매질을 통해 전달되어, PDE를 해결하는 데 필수적인 장거리 비국소적 결합을 실현한다.
• ITO의 광학적 특성은 전자 빔 주입을 통해 제어되며, 이는 고속·저에너지에서의 회로 재구성 가능성을 제공한다.
• 시스템은 CMOS 호환성 설계로 구현되어 기존 전자 인프라와의 통합이 가능하다.
• 프로세서는 주어진 PDE의 해에 해당하는 출력 필드를 모니터링하도록 구성되어 있으며, ENZ 매질 내에서 빛의 파동적 행동을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에프사-근접영역 물질 기반의 나노광학 플랫폼이 높은 효율성과 속도로 아날로그 영역에서 부분 미분 방정식(PDE)을 해결할 수 있는가?
• RQ2 광학 아날로그 계산 시스템에서 재구성 가능성과 모듈성이 어떻게 달성될 수 있는가?
• RQ3 ITO 내 전자 빔 주입이 프로그래밍 가능하고 저에너지 작동을 위해 광학 응답을 얼마나 조절할 수 있는가?
• RQ4 이러한 시스템은 스케일링 가능한 칩 수준 통합을 위해 CMOS 호환 공정으로 제조될 수 있는가?
• RQ5 이 시스템은 빛의 속도로 임의의 PDE와 임의의 입력을 처리할 때 성능이 어떠한가?

주요 결과

• 메타트로닉 회로는 ENZ 물질 내에서 빛의 전파를 통해 광범위한 부분 미분 방정식(PDE) 클래스를 아날로그 영역에서 성공적으로 해결한다.
• ENZ 매질 내 파장 스트레칭은 복잡한 공간적·시간적 의존성을 포착하는 데 필수적인 고도로 비국소적 상호작용을 가능하게 한다.
• 조절 가능한 인듐주석산화물(Indium-Tin-Oxide, ITO)은 전자 빔 주입을 통한 동적 고속 재구성 가능성을 제공하며, 저에너지 프로그래밍 가능성을 실현한다.
• 플랫폼은 CMOS 호환성으로 인해 아날로그 광학 프로세서의 스케일링 가능한 칩스케일 통합이 가능하다.
• 시스템은 빛의 속도로 임의의 입력을 처리하여 실시간·저손실·에너지 효율적인 계산을 구현한다.