[论文解读] Analog Computing with Metatronic Circuits

Mario Miscuglio, Yaliang Gui+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2020

Photonic and Optical Devices参考文献 4被引用 13

一句话总结

本文提出了一种芯片级、与CMOS兼容的纳米光子平台，利用介电常数接近零（ENZ）材料——具体为可调谐氧化铟锡（ITO）——通过光速求解偏微分方程（PDEs）实现模拟计算。通过利用ENZ介质中的波长展宽和电位移控制，该超材料电路实现了高度非局域、可重构且能效高效的计算，其光学响应可通过载流子注入进行编程。

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.

研究动机与目标

• 通过在芯片尺度上实现模拟光子计算，克服数字电子计算在能效和速度方面的局限性。
• 解决现有光子计算平台在模拟计算中缺乏模块化和可重构性的问题。
• 展示一种能够实时求解广泛类偏微分方程（PDEs）的纳米光子处理器。
• 通过在介电常数接近零（ENZ）区域中对氧化铟锡（ITO）进行载流子注入调制，实现高速、低能耗的可编程性。
• 实现全光学模拟处理器的芯片级集成，具备处理任意输入的能力。

提出的方法

• 该平台利用介电常数接近零（ENZ）材料，特别是可调谐氧化铟锡（ITO），通过波长展宽实现强非局域光学相互作用。
• 通过ENZ介质传导电位移场，实现长程、非局域耦合，这对于求解PDEs至关重要。
• 通过载流子注入控制ITO的光学特性，实现在高速和低能耗下对电路的动态重构。
• 系统设计为与CMOS兼容，可与现有电子基础设施集成。
• 处理器被配置为监测对应于给定PDE解的输出场，利用ENZ介质中光的波动行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于介电常数接近零材料的纳米光子平台是否能以高效率和高速度在模拟域求解偏微分方程？
• RQ2 如何在光子模拟计算系统中实现可重构性和模块化？
• RQ3 ITO中的载流子注入在多大程度上可调制光学响应，以实现可编程、低能耗运行？
• RQ4 此类系统是否可使用与CMOS兼容的工艺制造，以实现可扩展的芯片级集成？
• RQ5 该处理器在光速下求解任意PDEs与任意输入时的性能如何？

主要发现

• 该超材料电路成功利用ENZ材料中的光传播，在模拟域求解了广泛类偏微分方程（PDEs）。
• ENZ介质中的波长展宽实现了高度非局域的相互作用，这对于捕捉PDE解中复杂的时空依赖关系至关重要。
• 可调谐氧化铟锡（ITO）可通过载流子注入实现动态、高速的光学响应重构，从而在低能耗下实现可编程性。
• 该平台与CMOS兼容，可实现模拟光子处理器的可扩展芯片级集成。
• 该系统以光速处理任意输入，展示了实时、低能耗计算且能量损耗极小。