清华团队利用介电常数近零媒质实现超高密度光电运算

7月27日，清华大学电子工程系李越副教授团队与自动化系吴嘉敏助理教授、戴琼海院士团队合作，在《科学·进展》(Science Advances)期刊发表了题为“利用介电常数近零媒质进行微积分运算”(Performing calculus with epsilon-near-zero metamaterials)的研究论文，采用介电常数近零(epsilon-near-zero, ENZ)媒质在亚波长尺度实现对模拟信号的微积分运算，并设计研发了具有高计算密度的微积分运算器件，搭建具有边缘检测功能的高集成度图像处理系统。本文所提出的微积分运算器件具有小尺寸、高集成度、高计算密度的性能优势，对下一代光电计算系统的功能开发和芯片集成提供了可行的技术方案。

图1.利用ENZ媒质实现模拟微积分运算的概念图

近年来， 高速率、大容量、高并行度的光电计算系统受到学者的关注。然而，现有光电计算器件受尺寸的制约，在系统集成化方面存在挑战。针对该问题，本论文利用ENZ媒质的亚波长电磁波调控特性，通过构造ENZ媒质频域色散曲线，实现小型化、高计算密度的ENZ微分器或积分器，分别实现对输入模拟信号的时域微分或时域积分运算，其理论最高运算密度达到11.4 TOPS/µm2,与现有光电计算器件相比，其理论最高运算密度实现了4个数量级的提升。在此基础上，本文基于ENZ微分器，搭建了如图2所示具有边缘检测功能的高集成度图像处理系统，并实验验证了ENZ微分器在图像处理方面的性能优势。

图2.基于ENZ微分器的图像处理系统：(A)图像处理系统的实物照片，(B)输入图像与输出图像的样例

本论文的理论和实验工作均在清华大学完成，清华大学电子工程系为论文第一单位。电子工程系副教授李越、自动化系助理教授吴嘉敏和戴琼海院士为本文的通讯作者，电子工程系2018级博士生李昊与2021级博士生付鹏宇为本文的共同第一作者，其他作者包括电子工程系2017级毕业生周子恒博士与2019级博士生孙旺宇。本研究得到了国家自然科学基金(62022045，62071272)、北京信息科学与技术国家研究中心光电智能计算交叉创新群体和电子工程系自主科研项目的资助。

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