人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展推動(dòng)了對(duì)更強(qiáng)大計(jì)算能力的需求，從而催生了像光學(xué)計(jì)算這樣的創(chuàng)新解決方案。

東京大學(xué)的新型 “衍射投射”方法利用光來(lái)實(shí)現(xiàn)更快、更高效的數(shù)據(jù)處理，標(biāo)志著計(jì)算行業(yè)向革命邁出了重要一步。

近些年來(lái)，人工智能（AI）和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的高速發(fā)展推動(dòng)了計(jì)算需求的增加。然而，根據(jù)摩爾定律預(yù)測(cè)，傳統(tǒng)電子計(jì)算的性能已經(jīng)接近極限，該定律預(yù)測(cè)大約每?jī)赡暝谖⑿?span onclick="sendmsg('pw_ajax.php','action=relatetag&tagname=芯片',this.id)" style="cursor:pointer;border-bottom: 1px solid #FA891B;" id="rlt_4">芯片上的晶體管將翻一番。因此需要尋找新的計(jì)算模式，以滿足對(duì)速度、規(guī)模和能效的日益增長(zhǎng)的需求。光學(xué)計(jì)算是一個(gè)有前途的解決方案，它利用光的獨(dú)特屬性來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

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衍射投射基于波動(dòng)光學(xué)，可實(shí)現(xiàn)具有高度靈活性和集成能力的可擴(kuò)展和并行邏輯操作。

開(kāi)創(chuàng)性的光學(xué)計(jì)算

來(lái)自東京大學(xué)信息光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究人員在光學(xué)計(jì)算領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，他們開(kāi)發(fā)了一種名為“衍射投射”的新型光學(xué)計(jì)算架構(gòu)，該方法基于光的空間平行性概念（這一原則在1980年代被首次探索，被稱(chēng)為“陰影投射”）。傳統(tǒng)陰影投射受限于對(duì)幾何光學(xué)的依賴(lài)，限制了它的靈活性和集成能力。

新的衍射投射技術(shù)通過(guò)使用波動(dòng)光學(xué)克服了這些限制。衍射光學(xué)元件層經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，以利用光的空間平行性和波特性，例如衍射和干涉。這允許具有高度靈活性和集成能力的可擴(kuò)展和并行邏輯操作。只需更改照明模式即可更改操作，無(wú)需對(duì)輸入和輸出進(jìn)行編碼和解碼。

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衍射投射的數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果：（a）256 位并行二進(jìn)制輸入對(duì)及其相應(yīng)的（b）16 個(gè)邏輯操作輸出的示例。（c）在參數(shù)化計(jì)算位數(shù)和操作類(lèi)型時(shí)，與改變衍射光學(xué)元件 （DOE）數(shù)量相關(guān)的計(jì)算誤差。該分析表明了衍射投射的計(jì)算性能、可擴(kuò)展性和集成能力，這大大減少了DOE的數(shù)量，從而提高了實(shí)用性。

未來(lái)影響和應(yīng)用

衍射投射的數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出令人印象深刻的結(jié)果，在兩個(gè)任意 256 位并行二進(jìn)制輸入上以光速無(wú)差錯(cuò)地實(shí)現(xiàn)了所有 16 個(gè)邏輯操作。

這種架構(gòu)在可擴(kuò)展性和集成方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，使其成為下一代計(jì)算系統(tǒng)的有前途的候選者。其靈活和可重新配置的特性也開(kāi)辟了從圖像處理到光計(jì)算加速器的廣泛應(yīng)用。

這項(xiàng)研究是早稻田大學(xué) Tetsuya Kawanishi 教授領(lǐng)導(dǎo)的 “變革性研究領(lǐng)域補(bǔ)助金 ”項(xiàng)目的一部分，突出了利用空間并行性作為未來(lái)計(jì)算系統(tǒng)構(gòu)件的光學(xué)計(jì)算潛力。該研究還為整合成像、傳感和計(jì)算的新信息處理框架奠定了基礎(chǔ)，并有可能擴(kuò)展到各個(gè)領(lǐng)域。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1117/1.AP.6.5.056005