Передовые коммуникационные технологии, такие как мобильная сеть пятого поколения (5G) и Интернет вещей (IoT), могут значительно выиграть от устройств, поддерживающих беспроводную связь при минимальном энергопотреблении. Поскольку большинство существующих устройств имеют отдельные компоненты для выполнения вычислений и передачи данных, снижение их энергопотребления может быть сложной задачей.
Исследователи из Нанкинского университета, Юго-восточного университета и лаборатории Purple Mountain Laboratories в Китае недавно разработали параллельную схему беспроводных вычислений в памяти, которая одновременно выполняет вычисления и беспроводную передачу данных на одном и том же оборудовании. Этот дизайн, представленный в Nature Electronics , основан на использовании мермристивных решетчатых массивов, сетчатых структур, содержащих мемристоры, электрических компонентов, которые могут как обрабатывать, так и хранить данные.
«В одной из наших предыдущих работ , опубликованных в журнале Nature Nanotechnology , мы предложили реализацию массивно-параллельных вычислений в памяти с использованием представления данных в непрерывном времени в массиве наноразмерных поперечин», — сказал Ши-Джун Лян, один из исследователей, проводивших исследование. недавнее исследование, рассказал Tech Xplore.
«В этой предыдущей статье мы продемонстрировали, что обработанные аналоговые сигналы могут быть переданы через радиочастотный модуль. Вдохновленные нашими выводами, мы начали думать о том, можно ли использовать вычисления в памяти на основе мемристивной матрицы для реализации параллельных цифровых передача данных со сверхнизким энергопотреблением, что желательно для интеллектуального Интернета вещей или других граничных вычислительных устройств».
Подход к беспроводным вычислениям в памяти, представленный Ляном, Фэн Мяо и их коллегами, использует возможности аналоговых вычислений в памяти мемристоров для обработки аналоговых беспроводных сигналов, которые передаются или принимаются устройством. Это могло бы значительно повысить энергоэффективность устройств, сгладив резкое разделение между цифровой и аналоговой сферами, которое характерно для большинства современных технологических разработок.
«Уникальные характеристики этой вычислительной парадигмы заключаются в том, что беспроводные сигналы, несущие информацию, могут обрабатываться (например, модулироваться или демодулироваться) на пути передачи данных в режиме реального времени и при низком энергопотреблении», — пояснил Лян.
«Во-первых, этот подход может снизить спрос на АЦП (аналого-цифровой преобразователь), используемый в системах беспроводной связи, и резко повысить энергоэффективность беспроводной цифровой связи в реальном времени. Наше исследование также определяет многообещающий сценарий применения мемристивных устройств, практическое применение которого было ограничено шумом, связанным с изменением состояния проводимости».
Исследователи создали прототип системы на основе предложенной ими конструкции, а затем оценили ее производительность в серии тестов. Они обнаружили, что он передает двоичный поток из 480 бит с многообещающим коэффициентом битовых ошибок 0/480. Кроме того, их устройство потребляет значительно (т. е. примерно на два порядка) меньшую мощность, чем обычные устройства на базе цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей.
В будущем подход параллельных беспроводных вычислений в памяти, предложенный Ляном, Мяо и их коллегами, может позволить разработать электронику, которая потребляет меньше энергии и лучше приспособлена для удовлетворения высоких вычислительных требований. Хотя команда до сих пор тестировала свой дизайн для создания электроники, он также потенциально может быть применен к акустическим и оптическим устройствам беспроводной связи.
«Использование мемристивных устройств в беспроводной связи, где не требуются точные вычисления, открывает большие возможности для технологии аналоговых вычислений в памяти», — добавил Мяо. «В ближайшем будущем мы планируем работать над крупномасштабной интеграцией массива мемристивных поперечин в систему беспроводной связи и продвигать его к реальным приложениям».