Araştırmacılar, elektromanyetik dalgaları kullanarak neredeyse ışık hızında çalışan ve dijital bilgisayarların sınırlarını aşan programlanabilir analog devre geliştirdi.
Bilgisayarlar genellikle iki ana kategoriye ayrılıyor: dijital ve analog. Dijital bilgisayarlar, verileri yalnızca iki değer (0 ve 1) üzerinden işler ve programlama dilleriyle istenilen hesaplamaları gerçekleştirebilir. Bu sistemler sorunları yeterli zaman verildiğinde çözebilir; ancak bilgiyi ikili kodlarla temsil ettikleri için sayısal veri sürekli bir sinyale göre yaklaşık olarak depolanıyor. Dijital hesaplamalarda işlemler adım adım (sıralı) yürütülüyor ve her adımdan sonra hafıza erişimleri gerektiği için hız sınırlamaları ve enerji kaybı oluşuyor.
Analog bilgisayarlar ise verileri sürekli sinyaller olarak temsil ediyor. Elektronik analog sistemlerde akımlar veya voltajlar zaman içinde sürekli değişerek sayısal değerlere ihtiyaç duymadan bilgiyi taşıyabiliyor. Bu yaklaşım, örneğin bir 32 bitlik sayıyı 32 ayrı dijital kablo yerine tek bir analog kabloda farklı voltaj seviyeleri olarak iletmeyi mümkün kılıyor.
Analog bilgisayarlar problemin fiziksel bir modelini kurarak çalışıyor; devreler gerekli hesaplamayı doğrudan uyguluyor ve sonucu aynı anda üretiyor. Bu nedenle analog hesaplamalar birçok işlemi eşzamanlı (paralel) yapabiliyor, belleğe erişim gerekmediği için enerji verimliliği yüksek. Ancak analog sistemlerin her probleme göre yeniden yapılandırılması gerekiyor.
Programlanabilir analog devre
Geleneksel dijital elektronikler transistor anahtarlama hızları, saat frekansı, ısı üretimi ve enerji verimliliği gibi sınırlamalarla karşı karşıya. Avustralya Teknoloji Üniversitesi (UTS) ve Rochester Teknoloji Enstitüsü (RIT) araştırmacıları bu sınırlamalara bir alternatif sunarak yüksek frekanslı elektromanyetik dalgaları kullanan programlanabilir bir analog devre tasarladı. Bu mikrodalga entegre devre, karmaşık matris dönüşümlerini neredeyse ışık hızında, yani saniyede yaklaşık 180.000-270.000 km hızla gerçekleştirebiliyor ve hesaplamaları paralel olarak yürütüyor. Araştırmacılar, devrenin sürekli elektromanyetik sinyallerle çalıştığı için geleneksel dijital işlemcilere göre çok daha az enerji tükettiğini vurguluyor.
Nature Communications’ta yayınlanan çalışmada tanıtılan devre, sabit güç bölücüler ve programlanabilir faz kaydırıcı katmanlarının ardışık olarak dizilmesinden oluşan bir mimariye sahip. Bu interlaced yapı sayesinde giriş sinyalleri 50/50 oranında bölünüp tekrar birleştiriliyor ve faz kaydırıcılar aracılığıyla istenilen matris dönüşümü elde ediliyor. Araştırmacılar, dört portlu bir örnek devre kullanarak 1,5-3,0 GHz frekans aralığında, mikro-watt seviyesinde güçle çalışabileceğini gösterdi.
Devredeki faz elemanları bir mikrodenetleyici ile zaman bölmeli olarak programlanıyor; bu sayede yüksek doğrulukta dönüşümler yapılabiliyor ve farklı uygulamalara uyum sağlanıyor. Önemli bir diğer nokta bu analog yaklaşımın kuantum bilgisayarlardan farklı oluşu: kuantum sistemlerin ölçeklenebilirlik ve stabilite gibi zorlukları bulunurken, geliştirilen analog platform mevcut teknolojilerle uyumlu ve kısa vadede uygulamaya hazır.
Araştırmacılar, geliştirdikleri analog devrenin radar, ileri seviye haberleşme sistemleri, sensörler ve uzay teknolojileri gibi gerçek zamanlı işlem gerektiren alanlarda devrim yaratabileceğini belirtiyor.
Analog matris hesaplamaları, 5G/6G ağlarında ışık hızında ışın oluşturma ve kanal tahmini, savunma sistemlerinde anında obje tespiti, otonom araçlar için çevresel algılama, madencilik ve tarımda büyük sensör verisinin enerjiden tasarruf ederek işlenmesi gibi geniş bir yelpazede kullanılabilir.
Analog hesaplama tüm problemlerin çözümü olmayabilir; dijital sistemlerin yeniden programlanabilirliği ve hassas sonuç üretme yeteneği hala önemini koruyor. Ancak uzmanlar, analog ve dijital yaklaşımların bir araya getirilerek hibrit sistemler oluşturulmasının gelecekte yeni bir hesaplama paradigması doğurabileceğini düşünüyor. UTS ve RIT ekibi de ilerleyen çalışmalarda bu analog mimariyi pratik sistem düzeyinde kullanımlara entegre etmeyi ve mevcut dijital altyapıyla uyumlu hale getirmeyi hedefliyor.
Kaynak: Eurekalert
