شبیه سازی دستگاه محاسبات نوری

شبیه سازی دستگاه محاسبات نوری یک الگوی جایگزین برای کامپیوترهای الکترونیکی فعلی است. در این پست وبلاگ، مفهوم محاسبات نوری را بررسی می کنیم و توضیح می دهیم که چگونه یک شبکه ضرب ماتریس نوری کار می کند. ما همچنین درباره نحوه مدل‌سازی یک دستگاه محاسبات نوری با استفاده از نرم‌افزار COMSOL  و محصول الحاقی
Wave Optics Module

حبت می‌کنیم. استفاده از این محصولات در ترکیب، مزایای استفاده از روش پوشش پرتو را در شبیه سازی سیستم های نوری بزرگ نشان می دهد.

مقدمه ای بر محاسبات نوری

قانون مور

در چند دهه گذشته، رشد تصاعدی در قابلیت های رایانه ها وجود داشته است. این رشد از قانون مور پیروی می کند، که می گوید تعداد ترانزیستورها در یک مدار مجتمع هر دو سال دو برابر می شود در حالی که هزینه رایانه ها کاهش می یابد. این امر اکثر فن آوری های مدرنی را که ما امروز از آن ها لذت می بریم امکان پذیر می کند. به عنوان مثال، تراشه‌های رایانه‌ای معمولی تنها بر پایه قطعات الکترونیکی مانند ترانزیستور هستند و تعداد ترانزیستورها در هر تراشه تقریباً هر دو سال یکبار دو برابر می‌شود. برای همگام شدن با این افزایش و بهبود عملکرد تراشه کامپیوتر در بهره وری توان قابل مدیریت، کوچک کردن قطعات الکترونیکی روی تراشه، از جمله ترانزیستورها، حیاتی و اجتناب ناپذیر است. اگرچه مهندسان با کوچک کردن ترانزیستور از اندازه سانتی متر به اندازه نانومتر کار قابل توجهی در این زمینه انجام داده اند، مهم است که بدانیم در نهایت محدودیت های اساسی از پیشرفت چنین دستگاه هایی جلوگیری می کند. به عنوان مثال، زمانی که اندازه یک قطعه الکترونیکی به سطح اتمی نزدیک می شود، اثرات کوانتومی باعث بی ثباتی در عملکرد آن می شود. جوامع علمی و مهندسی برای مدت طولانی در حال بررسی پارادایم های جایگزین برای رایانه های الکترونیکی بوده اند. یکی از گزینه هایی که اخیرا توجه زیادی را به خود جلب کرده است، محاسبات نوری است – این زمانی است که شما محاسبات را با استفاده از نور (فوتون) به جای جریان الکتریکی (الکترون) انجام می دهید.

در حالی که محاسبات نوری یک فناوری نوظهور است، اپتیک مدتی است که در فناوری اطلاعات به‌ویژه استفاده از نور برای انتقال اطلاعات استفاده می‌شود. فیبرهای نوری با تلفات بسیار کم می توانند اطلاعات را در فواصل طولانی با سرعت نور حمل کنند. دستگاه های شبکه فیبر نوری معمولاً در مراکز داده و حتی خانه های معمولی استفاده می شوند. با این حال، استفاده از نور برای محاسبات هنوز در مراحل اولیه خود از نظر تجاری سازی است. شبیه سازی و مدل سازی خنک کننده تبخیری را مطالعه کنید.

محاسبات ریاضی در اپتیک آموزش comsol

به خوبی شناخته شده است که فرآیندهای نوری خاصی با محاسبات ریاضی مطابقت دارند. به عنوان مثال، اجازه دهید پراش نور را در نظر بگیریم. همانطور که نور از یک محیط پراش عبور می کند، اساساً یک انتگرال تبدیل فوریه را انجام می دهد (ما این مفهوم را با جزئیات بیشتر در یک پست وبلاگ آینده بررسی خواهیم کرد). با این حال، ممکن است بلافاصله مشخص نباشد که آیا یک سیستم نوری می‌تواند محاسبات ریاضی همه‌منظوره مانند رایانه‌های امروزی را انجام دهد یا خیر. در حال حاضر، محاسبات نوری انواع مختلفی دارد. ثابت شده است که با استفاده از مکانیزم های مختلف می توان محاسبات ساده، ضرب ماتریس، انتگرال و تمایز و غیره را انجام داد. به طور کلی، محاسبات آنالوگ می تواند در پراش، پراکندگی یا انتشار نور در یک سیستم طراحی شده خاص اتفاق بیفتد.

به جای بحث در مورد محاسبات نوری به طور کلی، ما به یک سیستم محاسبات نوری آنالوگ خاص می پردازیم: دستگاه های ضرب ماتریس مبتنی بر شبکه تداخل سنج ماخ-زندر (MZI). این سیستم بسیار جالب و مفید است زیرا انجام ضرب ماتریس به سرعت و به نحوی که نیاز به توان مصرفی زیادی نداشته باشد برای حل مسائل کاربردی مطلوب است. این شامل مشکلات مربوط به یادگیری ماشین است. اکثر الگوریتم‌های یادگیری ماشین مدرن، مانند شبکه‌های عصبی عمیق، به مقدار زیادی از ضرب ماتریس متکی هستند. اگر بتوانیم یک سیستم نوری بسازیم که ضرب سریع ماتریس را انجام دهد، می توانیم به طور کامل از قدرت یادگیری ماشین استفاده کنیم.
دلایل مختلفی وجود دارد که چرا ما با ماژول اپتیک موج مدل سازی می کنیم. در نگاه اول، Ray Optics Module نیز ممکن است مناسب به نظر برسد، زیرا اندازه سیستم مرتبه‌ای بزرگتر از طول موج است. با این حال، برای MZI، ما عمدتاً نگران اثر تداخل هستیم. شبیه‌سازی اپتیک پرتو معمولاً به‌طور خودکار تداخل را در نظر نمی‌گیرد، و بنابراین یک رویکرد ایده‌آل نیست.

میتوانید برای آموزش کامسول  اقدام کنید.

با استفاده از ماژول اپتیک موج، تداخل به طور خودکار محاسبه می شود. ما همچنین می‌خواهیم از این ماژول استفاده کنیم تا بتوانیم رابط امواج الکترومغناطیسی، Beam Envelopes را پیاده‌سازی کنیم که برای کار با مدلی با این اندازه مناسب است.

این تجزیه ماتریس را می توان به طور شهودی با در نظر گرفتن یک چرخش کلی در فضای برداری n بعدی به عنوان دنباله ای از چرخش ها در ابعاد پایین تر درک کرد. از نظر فیزیکی، به این معنی است که ما می‌توانیم شبکه‌ای از MZI در یک مکان خاص بسازیم.

دنباله ای که هر MZI نشان دهنده . بنابراین، کل سیستم با عبور نور از درون ورودی، ضرب ماتریس واحد دلخواه n به n را انجام می دهد. در مورد ماتریس واحد 4 در 4، در مجموع به 6 MZI نیاز داریم.