Computação óptica - Optical computing

A computação óptica ou computação fotônica usa fótons produzidos por lasers ou diodos para computação. Por décadas, os fótons se mostraram promissores em permitir uma largura de banda maior do que os elétrons usados ​​em computadores convencionais (ver fibras ópticas ).

A maioria dos projetos de pesquisa concentra-se na substituição de componentes de computador atuais por equivalentes ópticos, resultando em um sistema de computador digital óptico processando dados binários . Esta abordagem parece oferecer as melhores perspectivas de curto prazo para a computação óptica comercial, uma vez que os componentes ópticos podem ser integrados em computadores tradicionais para produzir um híbrido óptico-eletrônico. No entanto, dispositivos optoeletrônicos consomem 30% de sua energia convertendo energia eletrônica em fótons e vice-versa; esta conversão também retarda a transmissão de mensagens. Os computadores totalmente ópticos eliminam a necessidade de conversões óptico-elétrico-ópticas (OEO), reduzindo assim o consumo de energia elétrica.

Dispositivos de aplicativos específicos, como radar de abertura sintética (SAR) e correlacionadores ópticos , foram projetados para usar os princípios da computação óptica. Correladores podem ser usados, por exemplo, para detectar e rastrear objetos e para classificar dados óticos de domínio de tempo serial.

Componentes ópticos para computador digital binário

O bloco de construção fundamental dos computadores eletrônicos modernos é o transistor . Para substituir componentes eletrônicos por ópticos, é necessário um transistor óptico equivalente . Isso é obtido usando materiais com índice de refração não linear . Em particular, existem materiais onde a intensidade da luz que entra afeta a intensidade da luz transmitida através do material de uma maneira semelhante à resposta de corrente de um transistor bipolar. Esse transistor óptico pode ser usado para criar portas lógicas ópticas , que por sua vez são montadas nos componentes de nível superior da unidade de processamento central (CPU) do computador. Estes serão cristais ópticos não lineares usados ​​para manipular feixes de luz para controlar outros feixes de luz.

Como qualquer sistema de computação, um sistema de computação óptica precisa de três coisas para funcionar bem:

  1. processador óptico
  2. transferência de dados ópticos, por exemplo, cabo de fibra óptica
  3. armazenamento óptico ,

A substituição de componentes elétricos exigirá a conversão do formato de dados de fótons em elétrons, o que tornará o sistema mais lento.

Controvérsia

Existem algumas divergências entre os pesquisadores sobre as futuras capacidades dos computadores ópticos; se eles podem ou não competir com computadores eletrônicos baseados em semicondutores em termos de velocidade, consumo de energia, custo e tamanho é uma questão em aberto. Os críticos observam que os sistemas lógicos do mundo real requerem "restauração de nível lógico, capacidade em cascata, fan-out e isolamento de entrada-saída", todos atualmente fornecidos por transistores eletrônicos a baixo custo, baixa potência e alta velocidade. Para que a lógica óptica seja competitiva além de alguns aplicativos de nicho, seriam necessários grandes avanços na tecnologia de dispositivos ópticos não lineares, ou talvez uma mudança na natureza da própria computação.

Equívocos, desafios e perspectivas

Um desafio significativo para a computação óptica é que a computação é um processo não linear no qual vários sinais devem interagir. A luz, que é uma onda eletromagnética , só pode interagir com outra onda eletromagnética na presença de elétrons em um material, e a força dessa interação é muito mais fraca para ondas eletromagnéticas, como a luz, do que para os sinais eletrônicos em um computador convencional . Isso pode resultar em elementos de processamento para um computador óptico exigindo mais potência e dimensões maiores do que aqueles para um computador eletrônico convencional usando transistores.

Outro equívoco é que, uma vez que a luz pode viajar muito mais rápido do que a velocidade de deriva dos elétrons, e em frequências medidas em THz , os transistores ópticos deveriam ser capazes de frequências extremamente altas. No entanto, qualquer onda eletromagnética deve obedecer ao limite de transformação e, portanto, a taxa na qual um transistor óptico pode responder a um sinal ainda é limitada por sua largura de banda espectral . No entanto, nas comunicações de fibra óptica , os limites práticos, como a dispersão, muitas vezes restringem os canais a larguras de banda de 10s de GHz, apenas um pouco melhor do que muitos transistores de silício. A obtenção de uma operação dramaticamente mais rápida do que os transistores eletrônicos exigiria, portanto, métodos práticos de transmissão de pulsos ultracurtos por guias de ondas altamente dispersivos.

Lógica fotônica

Realização de uma porta NOT controlada fotônica para uso em computação quântica

A lógica fotônica é o uso de fótons ( luz ) em portas lógicas (NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR). A comutação é obtida usando efeitos ópticos não lineares quando dois ou mais sinais são combinados.

Os ressonadores são especialmente úteis na lógica fotônica, pois permitem um acúmulo de energia a partir da interferência construtiva , aumentando assim os efeitos ópticos não lineares.

Outras abordagens investigadas incluem a lógica fotônica em nível molecular , usando produtos químicos fotoluminescentes . Em uma demonstração, Witlicki et al. executou operações lógicas usando moléculas e SERS .

Abordagens não convencionais

Atrasos de tempo na computação óptica

A ideia básica é atrasar a luz (ou qualquer outro sinal) para realizar cálculos úteis. Seria interessante resolver problemas NP-completos, pois esses são problemas difíceis para os computadores convencionais.

Existem 2 propriedades básicas de luz que são realmente usadas nesta abordagem:

  • A luz pode ser retardada passando-a por uma fibra óptica de determinado comprimento.
  • A luz pode ser dividida em vários (sub) raios. Essa propriedade também é essencial porque podemos avaliar várias soluções ao mesmo tempo.

Ao resolver um problema com atrasos, as seguintes etapas devem ser seguidas:

  • O primeiro passo é criar uma estrutura semelhante a um gráfico feita de cabos ópticos e divisores. Cada gráfico possui um nó inicial e um nó de destino.
  • A luz entra pelo nó inicial e atravessa o gráfico até chegar ao destino. É atrasado ao passar por arcos e dividido em nós internos.
  • A luz é marcada ao passar por um arco ou por um nó para que possamos identificar facilmente esse fato no nó de destino.
  • No nó de destino, esperaremos por um sinal (flutuação na intensidade do sinal) que chega em um determinado momento (s) no tempo. Se não houver sinal chegando naquele momento, significa que não temos solução para o nosso problema. Caso contrário, o problema tem solução. As flutuações podem ser lidas com um fotodetector e um osciloscópio .

O primeiro problema atacado dessa maneira foi o problema do caminho hamiltoniano .

O mais simples é o problema da soma do subconjunto . Um dispositivo óptico resolvendo uma instância com 4 números {a1, a2, a3, a4} é ilustrado abaixo:

Dispositivo óptico para resolver o problema da soma do subconjunto

A luz entrará no nó inicial. Será dividido em 2 (sub) raios de menor intensidade. Estes 2 raios chegarão ao segundo nó nos momentos a1 e 0. Cada um deles será dividido em 2 subrays que chegarão ao 3º nó nos momentos 0, a1, a2 e a1 + a2. Estes representam todos os subconjuntos do conjunto {a1, a2}. Esperamos flutuações na intensidade do sinal em não mais do que 4 momentos diferentes. No nó de destino, esperamos flutuações em não mais do que 16 momentos diferentes (que são todos os subconjuntos do dado). Se tivermos uma flutuação no momento alvo B, significa que temos uma solução para o problema, caso contrário não há subconjunto cuja soma dos elementos seja igual a B. Para a implementação prática não podemos ter cabos de comprimento zero, portanto todos os cabos são aumentado com um pequeno (fixo para todos) valor k. Nesse caso, a solução é esperada no momento B + n * k.

Computação baseada em comprimento de onda

A computação baseada em comprimento de onda pode ser usada para resolver o problema 3-SAT com n variáveis, cláusulas m e com não mais do que 3 variáveis ​​por cláusula. Cada comprimento de onda, contido em um raio de luz, é considerado como possíveis atribuições de valor a n variáveis. O dispositivo óptico contém prismas e espelhos são usados ​​para discriminar comprimentos de onda adequados que satisfaçam a fórmula.

Computando por xeroxing em transparências

Esta abordagem usa uma máquina Xerox e folhas transparentes para realizar cálculos. O problema k-SAT com n variáveis, cláusulas m e no máximo k variáveis ​​por cláusula foi resolvido em 3 etapas:

  • Em primeiro lugar, todas as 2 ^ n atribuições possíveis de n variáveis ​​foram geradas executando n cópias xerox.
  • Usando no máximo 2k cópias da tabela verdade, cada cláusula é avaliada em todas as linhas da tabela verdade simultaneamente.
  • A solução é obtida fazendo uma única operação de cópia das transparências sobrepostas de todas as cláusulas m.

Mascarando feixes ópticos

O problema do caixeiro viajante foi resolvido por Shaked et al (2007) usando uma abordagem ótica. Todos os caminhos TSP possíveis foram gerados e armazenados em uma matriz binária que foi multiplicada por outro vetor de escala de cinza contendo as distâncias entre as cidades. A multiplicação é realizada opticamente usando um correlacionador óptico.

Co-processadores ópticos de Fourier

Muitos cálculos, particularmente em aplicações científicas, requerem o uso frequente da transformada discreta de Fourier 2D (DFT) - por exemplo, na resolução de equações diferenciais que descrevem a propagação de ondas ou transferência de calor. Embora as tecnologias de GPU modernas normalmente permitam a computação de alta velocidade de grandes DFTs 2D, foram desenvolvidas técnicas que podem realizar a transformação contínua de Fourier opticamente, utilizando a propriedade natural de transformação de Fourier das lentes . A entrada é codificada usando um modulador de luz espacial de cristal líquido e o resultado é medido usando um CMOS convencional ou sensor de imagem CCD. Essas arquiteturas ópticas podem oferecer escalonamento superior de complexidade computacional devido à natureza altamente interconectada da propagação óptica e têm sido usadas para resolver equações de calor 2D.

Máquinas Ising

Os computadores físicos cujo design foi inspirado no modelo teórico de Ising são chamados de máquinas de Ising.

O laboratório de Yoshihisa Yamamoto em Stanford foi pioneiro na construção de máquinas Ising usando fótons. Inicialmente Yamamoto e seus colegas construíram uma máquina Ising usando lasers, espelhos e outros componentes ópticos comumente encontrados em uma mesa óptica .

Mais tarde, uma equipe da Hewlett Packard Labs desenvolveu ferramentas de design de chip fotônico e as usou para construir uma máquina Ising em um único chip, integrando 1.052 componentes ópticos naquele chip único.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos