清華新聞網(wǎng)8月1日電 7月27日，清華大學(xué)電子工程系李越副教授團(tuán)隊(duì)與自動(dòng)化系吳嘉敏助理教授、戴瓊海院士團(tuán)隊(duì)合作，在《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）期刊發(fā)表了題為“利用介電常數(shù)近零媒質(zhì)進(jìn)行微積分運(yùn)算”（Performing calculus with epsilon-near-zero metamaterials）的研究論文，采用介電常數(shù)近零(epsilon-near-zero, ENZ)媒質(zhì)在亞波長(zhǎng)尺度實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的微積分運(yùn)算，并設(shè)計(jì)研發(fā)了具有高計(jì)算密度的微積分運(yùn)算器件，搭建具有邊緣檢測(cè)功能的高集成度圖像處理系統(tǒng)。本文所提出的微積分運(yùn)算器件具有小尺寸、高集成度、高計(jì)算密度的性能優(yōu)勢(shì)，對(duì)下一代光電計(jì)算系統(tǒng)的功能開(kāi)發(fā)和芯片集成提供了可行的技術(shù)方案。
圖1.利用ENZ媒質(zhì)實(shí)現(xiàn)模擬微積分運(yùn)算的概念圖
近年來(lái)， 高速率、大容量、高并行度的光電計(jì)算系統(tǒng)受到學(xué)者的關(guān)注。然而，現(xiàn)有光電計(jì)算器件受尺寸的制約，在系統(tǒng)集成化方面存在挑戰(zhàn)。針對(duì)該問(wèn)題，本論文利用ENZ媒質(zhì)的亞波長(zhǎng)電磁波調(diào)控特性，通過(guò)構(gòu)造ENZ媒質(zhì)頻域色散曲線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)小型化、高計(jì)算密度的ENZ微分器或積分器，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入模擬信號(hào)的時(shí)域微分或時(shí)域積分運(yùn)算，其理論最高運(yùn)算密度達(dá)到11.4 TOPS/μm2,與現(xiàn)有光電計(jì)算器件相比，其理論最高運(yùn)算密度實(shí)現(xiàn)了4個(gè)數(shù)量級(jí)的提升。在此基礎(chǔ)上，本文基于ENZ微分器，搭建了如圖2所示具有邊緣檢測(cè)功能的高集成度圖像處理系統(tǒng)，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了ENZ微分器在圖像處理方面的性能優(yōu)勢(shì)。
圖2.基于ENZ微分器的圖像處理系統(tǒng)：（A）圖像處理系統(tǒng)的實(shí)物照片，（B）輸入圖像與輸出圖像的樣例
本論文的理論和實(shí)驗(yàn)工作均在清華大學(xué)完成，清華大學(xué)電子工程系為論文第一單位。電子工程系副教授李越、自動(dòng)化系助理教授吳嘉敏和戴瓊海院士為本文的通訊作者，電子工程系2018級(jí)博士生李昊與2021級(jí)博士生付鵬宇為本文的共同第一作者，其他作者包括電子工程系2017級(jí)畢業(yè)生周子恒博士與2019級(jí)博士生孫旺宇。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（62022045，62071272）、北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心光電智能計(jì)算交叉創(chuàng)新群體和電子工程系自主科研項(xiàng)目的資助。
文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq6198
供稿：電子工程系
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李若夢(mèng)
審核：田姬熔
