По пунктам:
- Что такое оптический компьютер?
- Каков принцип его работы?
- Почему все хотят заменить им обычный компьютер?
- Часто еще говорят, что оптический компьютер будет более энергоэффективным, но свет там появляется не просто так. На это тоже тратится энергия. Или нет?
- Раз это так эффективно, почему его до сих пор не создали?
- А не проще ли совершенствовать стандартные компьютеры?
Что такое оптический компьютер?
Оптический компьютер ― это устройство (пока скорее гипотетическое), которое в качестве единицы (бита) информации использует фотон. В обычном компьютере в качестве бита информации используется электрон, а если точнее ― заряд электрона: если через контакт протек некоторый минимальный заряд, то это единица, а если протек заряд меньше порогового, то ноль. Заменяем электрон на фотон, заряд на интенсивность электромагнитного поля, получается так называемый классический оптический компьютер.
Каков принцип его работы?
В качестве входного порта оптического чипа выступает набор оптических волноводов. Через эти волноводы на вход поступает оптический сигнал, который можно представить в качестве набора нулей и единиц (в этом случае мы имеем дело с цифровым оптическим компьютером) или в качестве непрерывной функции времени и координаты (в этом случае такая система называется аналоговым оптическим чипом). Далее этот сигнал преобразуется заданным образом в оптической схеме посредством различных оптических элементов: резонаторов или волноводов. Преобразованный сигнал поступает на выходной порт ― он, опять же, может быть представлен либо в качестве массива нулей и единиц, либо в качестве непрерывной функции.
Почему все хотят заменить им обычный компьютер?
Есть ряд областей, в которых применение оптических компьютеров было бы уже сейчас крайне оправданным, хотя вряд ли стоит ждать, что они скоро повсеместно заменят привычные нам электронные устройства. Выгода в том, что фотоны являются идеальным передатчиком информации. Оптический сигнал в волокне может переноситься на десятки километров практически без затухания и искажений. Кроме того, фотоны оптического диапазона обладают очень большой пропускной способностью: эта величина определяет, сколько битов информации можно упаковать в импульс определенной длительности. Вот почему уже сейчас для передачи информации на большие расстояния используют оптоволоконный кабель. Однако пока данные, прошедшие по оптоволокну, обрабатываются с помощью электронных устройств. Постоянный перевод сигнала из оптического в электронный и назад тратит время и энергию. Было бы здорово убрать этот переход и обрабатывать пришедший по оптоволокну сигнал также оптическими методами. Уже есть системы, которые позволяют это частично делать, но до создания полноценного оптического компьютера пока далеко.
Часто еще говорят, что оптический компьютер будет более энергоэффективным, но свет там появляется не просто так. На это тоже тратится энергия. Или нет?
В привычных нам устройствах течет электрический ток, что приводит к выделению тепла. Такой нагрев ― это потраченная впустую энергия. Более того, чтобы устройство не перегрелось, надо потратить еще больше энергии на его охлаждение. В итоге энергопотребление больших датацентров в 2018 году составило примерно 200 ТВт·ч, что равно примерно одному проценту от всего энергопотребления в мире, и растет оно довольно быстро. Фотоны не заряжены, ток не течет, нагрева нет, поэтому, по крайней мере, некоторые вычислительные операции в смысле энергопотребления можно делать практически задаром. Это относится к так называемым линейным операциям ― сложение, вычитание, дифференцирование, интегрирование и т.д. Существующие на сегодня оптические чипы как раз и специализируются на таких операциях, потому что могут выполнять их быстрее и экономичнее, чем электронные аналоги.
Но раз это так эффективно, почему его до сих пор не создали?
Проблем пока еще хватает. Во-первых, если нужно выполнить нелинейные операции например, логические операции «И» или «ИЛИ», которые часто встречаются в компьютерных программах), то надо обеспечить взаимодействие фотонов друг с другом. Незаряженные частицы взаимодействуют плохо, нужны обычно большие интенсивности, которые уже приводят к нагреву и снижают энергоэффективность. Во-вторых, фотоны постоянно норовят куда-то улететь, поэтому очень трудно реализовать устройства, хранящие оптическую информацию даже какое-то минимальное время (даже микросекунды было бы очень хорошо, но пока таких устройств практически нет). Необходимо реализовывать интерфейсы фотонных систем с запоминающими устройствами (магнитными или электронными), которые бы были быстрыми и энергоэффективными. Еще одной проблемой является миниатюризация. Характерный размер одного электронного транзистора ― примерно 10 нанометров. Поэтому на сантиметре поверхности чипа можно «упаковать» сотни миллионов транзисторов, что обеспечивает быстродействие электронных компьютеров. Размеры оптических элементов определяются длиной волны фотона ― порядка одного микрона. Оптические транзисторы, очевидно, не будут такими же компактными, как электронные, что сужает область их применений. Так, оптические чипы уже активно используются для обработки информации в оптоволоконных сетях и для многих других узких задач, там где их преимущество над электронными аналогами очевидно.
А не проще ли совершенствовать стандартные компьютеры?
Последние 20 лет все «хоронят» закон Мура об удвоении количества транзисторов на кристалле, хотя пока он держится. Поэтому да, пока совершенствовать электронные технологии выгоднее, но с каждым годом это делать все сложнее из-за постоянной миниатюризации транзисторов. На определенном масштабе электрон уже ведет себя как волна, может «туннелировать» через транзисторные затворы, сбивая всю работу. Тем не менее, инженеры уже лет 20 как-то справляются, стабильно увеличивая производительность и миниатюризацию транзисторов. Но в какой-то момент им все-таки придется остановиться. Здесь и могут пригодиться наработки в области оптических компьютеров. Однако пока оптические чипы, скорее, будут развиваться как нишевые решения для специализированных задач, что, однако, не снижает их значения.
