在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：62022045、62071272）等資助下，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，基于介電常數(shù)近零（Epsilon-near-zero，ENZ）超材料實(shí)現(xiàn)了亞波長(zhǎng)尺度的高密度光電運(yùn)算器件。研究成果以“利用介電常數(shù)近零超材料實(shí)現(xiàn)微積分運(yùn)算（Performing calculus with epsilon-near-zero metamaterials）”為題發(fā)表在期刊《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）上。文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq6198。 近年來(lái)，光電運(yùn)算作為一種新興的運(yùn)算體系備受關(guān)注。光電運(yùn)算以電磁波作為信息傳輸和處理的載體，通過(guò)模擬運(yùn)算的方式對(duì)信息進(jìn)行處理。與傳統(tǒng)基于數(shù)字邏輯的運(yùn)算處理方式相比，基于電磁波的模擬運(yùn)算具有大帶寬、高速率、高并行度的運(yùn)算優(yōu)勢(shì)，有望突破傳統(tǒng)運(yùn)算處理器的算力瓶頸。然而，現(xiàn)有光電運(yùn)算器件存在的器件體積大、集成度低等問(wèn)題，限制了光電運(yùn)算密度的提升，成為阻礙光電運(yùn)算體系發(fā)展的瓶頸。以微積分運(yùn)算為例，現(xiàn)有的模擬微積分運(yùn)算主要有空域和時(shí)域兩種方法，其中，空域方法通過(guò)對(duì)入射的電磁波進(jìn)行空間調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)微積分運(yùn)算，這往往需要較大的器件尺寸；時(shí)域方法一般利用馬赫-曾德?tīng)柛缮嫫麝嚵泻臀h(huán)諧振器等光器件實(shí)現(xiàn)，其器件尺寸也遠(yuǎn)大于電磁波的工作波長(zhǎng)。 針對(duì)上述問(wèn)題，李越等人基于ENZ超材料的光學(xué)摻雜理論，實(shí)現(xiàn)了高運(yùn)算密度的微積分光電運(yùn)算器件。2017年，李越與美國(guó)賓夕法尼亞團(tuán)隊(duì)合作在《科學(xué)》（Science）期刊上發(fā)表ENZ超材料的光學(xué)摻雜理論，指出亞波長(zhǎng)尺度的介質(zhì)摻雜可改變ENZ媒質(zhì)在特定頻率附近的磁導(dǎo)率特性，進(jìn)而調(diào)控ENZ超材料的色散曲線?；谠摾碚?，他們?cè)贓NZ媒質(zhì)中摻雜不同介電常數(shù)的介質(zhì)諧振器實(shí)現(xiàn)了磁導(dǎo)率為無(wú)窮大或零的兩種ENZ超材料，其色散曲線分別對(duì)應(yīng)帶阻或帶通的傳輸頻譜，從而擬合微分運(yùn)算所需的傳輸頻譜T(ω) =?i(ω?ω0)或積分運(yùn)算所需的傳輸頻譜T(ω)=i/(ω?ω0)，得到時(shí)域模擬微分與積分運(yùn)算的功能（圖1）。進(jìn)一步，他們?cè)谥屑t外波段進(jìn)行了模擬微分器件的設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證。采用工作在截止波長(zhǎng)下的鍍銀二氧化硅波導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)等效的ENZ超材料，在同樣的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，硅與空氣可分別等效為介電常數(shù)為正和為負(fù)的介質(zhì)材料。通過(guò)對(duì)等效的ENZ超材料進(jìn)行光學(xué)摻雜，構(gòu)造出與圖1（A）中結(jié)構(gòu)相同的ENZ微分器，仿真分析表明，該微分器的運(yùn)算密度理論上可達(dá)11.4 TOPS/μm2。為了與基于數(shù)字邏輯的運(yùn)算處理器進(jìn)行比較，他們還在微波頻段（3.5 GHz）設(shè)計(jì)了基于ENZ超材料的微分器件，構(gòu)建了時(shí)域圖像邊緣檢測(cè)系統(tǒng)（圖2）。與計(jì)算機(jī)程序提取的圖像邊緣相比，該系統(tǒng)對(duì)輸入圖像的邊緣提取結(jié)果不僅驗(yàn)證了ENZ超材料實(shí)現(xiàn)的微分器件功能，而且展現(xiàn)出基于ENZ超材料的光電器件運(yùn)算潛力。 項(xiàng)目研究成果為光電運(yùn)算器件的小型化、高速率和高集成度需求提供了可行的技術(shù)方案，在下一代大數(shù)據(jù)通量的光電運(yùn)算系統(tǒng)中有潛在應(yīng)用價(jià)值。