Відповідно до закону Мура — прогнози, які в 1965 році сформулював Гордон Мур, співзасновник компанії Intel — кількість транзисторів у мікропроцесорах подвоюється кожні два роки, тим самим підвищуючи потужність чіпів без збільшення енергоспоживання. Протягом значного періоду, що охоплює п’ять десятиліть, передбачення Мура супроводжувало надзвичайний розвиток у галузі обчислювальної техніки. Проте вже в 2015 році сам Мур пророкував наближення технологічної межі. Хоча квантові обчислення стоять як потенційний провідник до наступної технологічної вершини, інша перспективна альтернатива привертає значну увагу: оптичні обчислення, які замінюють електронні електрони на фотонне світло.
Зупинка закону Мура є неминучим наслідком фізики: більше транзисторів на тій самій площі потребує мініатюризації, підвищуючи швидкість одночасно зі зменшенням енергоспоживання. Зменшення транзисторів на кремній дійсно подолало колишній непереборний поріг у 7 нанометрів, але це зменшення не може тривати нескінченно. Збільшення кількості транзисторів безумовно покращує системи, але також знижує швидкість обробки та підвищує теплові викиди чіпа.
Синтез електроніки та оптики
Таким чином, промінь надії відкриває оптичні обчислення: фотони рухаються зі швидкістю світла, перевершуючи електрони у провіднику. Оптичні технології не є новачками; величезний обсяг світових даних передається через оптоволоконні кабелі, а протягом багатьох років оптичні зчитувачі обслуговували наші CD, DVD та Blu-Ray диски. Проте внутрішні механізми наших систем потребують перетворення фотонів з оптоволоконних кабелів в електрони в мікросхемах і навпаки, перетворення електронів назад у фотони в оптичних зчитувачах, що уповільнює весь процес.
Таким чином, наша поточна технологія уособлює гібридизацію електроніки та оптики. “В найближчій перспективі цілком очевидно, що домінуватимуть гібридні оптично-електронні системи,” стверджує Раджеш Менон, фахівець з комп’ютерної інженерії з Університету Юти в інтерв’ю. “Наприклад, хоча основна частина комунікаційних даних передається за допомогою фотонів, обчислювальні та логічні операції переважно електронні.” Менон далі пояснює, що “існують основні раціональні причини для такого розподілу праці”: енергетичні витрати на передачу інформації фотонами менші, тоді як електрони мають менші хвилі; отже, вищі швидкості фотонного обладнання вимагають значного обміну на розмір.
Через ці обмеження деякі фахівці бачать інтеграцію оптики в обчислення як потенційно обмежену. Інженер з матеріалознавства з Массачусетського технологічного інституту (MIT) Керолайн Росс вважає, що “одна з найважливіших негайних застосувань [для оптики] полягає у комунікаціях — управлінні потоком оптичних даних з волокон до електроніки.” Росс, яка розробила оптичний діод для спрощення цього процесу, стверджує, що “використання світла для реального оброблення даних є дещо віддаленим завданням.”
Лазерний транзистор
Проте, прогрес крокує поступово до повнофотонної мікросхеми — можливого системи, яка здатна на обчислення виключно фотонами. У 2004 році дослідники Мільтон Фен та Нік Холоняк молодший з Університету Іллінойсу представили концепцію лазерного транзистора. Ця інновація замінює один електричний вихід звичайного транзистора на світловий сигнал у вигляді лазера, значно підвищуючи пропускну здатність даних.
Наразі внутрішнє передавання компонентного зв’язку через світло в комп’ютерах залишається недоцільним через необхідне обладнання для перетворення електрооптичних сигналів і навпаки; однак лазерний транзистор може розв’язати цю проблему. “Аналогічно до інтегральних схем транзисторів, ми очікуємо, що лазерний транзистор стане провідником для електрооптичних інтегральних схем для оптичних обчислень,” розповідає Фен. Фен надає перевагу оптичним обчисленням над квантовими обчисленнями, оскільки вони не потребують кріогенних температур, необхідних для квантових надпровідників.
Свідченням життєздатності галузі є активне дослідження, спрямоване на вивчення новаторських матеріалів для підтримки обчислень на основі фотонів. Менон визначає зменшення щільності інтеграції компонентів і оволодіння взаємодією світла та матерії на нанорівні як критично важливі досягнення для реалізації оптичної мікросхеми.
Втім, стримання очікувань щодо споживчого готового фотонного лаптопа є розумним. “Ми не очікуємо, що оптичні обчислення замінять електронні для загального призначення найближчому майбутньому,” згідно з Мо Стейнманом, віцепрезидентом з інженерії в компанії Lightelligence, фотонний стартап очолюваний Маріном Солячичем з MIT.
Поточний стан і майбутнє фотоніки
Проте, конкретні ніші вже отримують вигоду від цього обчислювальну парадигму. “Фотоніка, спеціалізована на застосуванні, переважає, зокрема в центрах обробки даних і, нещодавно, в машинному навчанні,” зазначає Менон. Значущо, нейронні мережі штучного інтелекту готові до оптичних обчислень, що потенційно досягають набагато більшої ефективності, ніж електронні аналоги. “Статистичні завдання, що використовуються в алгоритмах штучного інтелекту, ідеально підходять для оптичних обчислень,” стверджує Стейнман.
Справді, оптичні обчислення можуть вирішити складні задачі оптимізації мереж, що залишать класичні комп’ютери в безвиході на століття. У Японії компанія NTT створює велетенський оптичний комп’ютер — включаючи п’ять кілометрів волокна в коробці розміром з кімнату — призначений для складної оптимізації енергії та комунікаційних мереж.
“Надалі ми передбачаємо використання ноу-хау екосистеми оптичних телекомунікацій для розробки, виготовлення та пакування інтегральних схем, оптимізованих для специфічних операційних вимог оптичних обчислень,” прогназує Стейнман. Проте, масштабування від прототипів до повнофункціонального виробництва буде вкрай складним.
Підсумовуючи, хоча траєкторія оптичних обчислень є надихаючою, важливо уникати переоцінки її найближчої доступності. Коли Дрор Фейтельсон, фахівець з комп’ютерних наук, написав Optical Computing (MIT Press) у 1988 році, ця дисципліна мала вигляд зрілої. Через більше трьох десятиліть “оптичні обчислення залишаються переважно амбітними, аніж мейнстрімними,” розповідає Фейтельсон. Подолання технологічної інерції та спадщини електроніки підкреслює велич завдання, виклик, який одного разу підкреслив Роберт Каєс з IBM: з огляду на багатий досвід та інвестиції в добре відому електроніку, “будь-яка альтернативна технологія стикається з геркулесовим завданням стати на рівні.”
