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May 08, 2023

Optisches Rechnen: die Kraft des Lichts

Molly Loe

Molly Loe

@TechHQ

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Quelle: Shutterstock

• Optische Computer funktionieren durch photonische Übertragung. • Sie könnten schnell sein und bei minimalem Wärmeverlust während der Übertragung. • Es gibt Kontroversen über die Versprechen der photonischen Technologie.

Optische Datenverarbeitung entwickelt sich schnell zu einem wichtigen Akteur, insbesondere im Bereich der KI. Es ist Ihnen verzeihlich, wenn Sie noch nie davon gehört haben, aber es geht dabei um Laser und Lichtgeschwindigkeit. Warum also nicht mehr darüber erfahren?

Optische Computer, auch photonische Computer genannt, führen digitale Berechnungen mit – Sie ahnen es schon – Photonen durch. Von Lasern oder inkohärenten Quellen erzeugte Lichtwellen werden als primäres Mittel zur Durchführung numerischer Berechnungen, Argumentation, künstlicher Intelligenz, Datenverarbeitung, Datenspeicherung und Datenkommunikation für Computer verwendet.

Wie jeder Computer benötigt auch ein optischer Computer drei Dinge, um gut zu funktionieren:

Die Geschichte des optischen Rechnens ist mit der Entwicklung von Radarsystemen verknüpft. In den 1960er Jahren wurden mit der Erfindung des Lasers die ersten Pläne für einen rein optischen Computer vorgeschlagen, und seit den 1990er Jahren hat sich der Schwerpunkt auf die optische Verbindung von Arrays aus Halbleiter-Smartpixeln verlagert.

Herkömmliche Computer verwenden Elektronen, um Berechnungen durchzuführen, aber Photonen können eine höhere Bandbreite ermöglichen; Im Gegensatz zu Elektronen fließen sichtbare und infrarote (IR) Strahlen übereinander, ohne zu interagieren, sodass sie auf eine praktisch zweidimensionale Berechnung beschränkt werden können.

In herkömmlichen Computern ist eine dreidimensionale Verkabelung erforderlich, um elektrische Ströme umeinander zu leiten. Ein photonischer Computer kann also kleiner sein als sein üblicheres Gegenstück. Wie herkömmliche Computer verwenden optische Computer Logikgatter und binäre Routinen, um Berechnungen durchzuführen, die Art und Weise, wie diese Berechnungen durchgeführt werden, unterscheidet sich jedoch.

Durch die Verwendung plasmonischer Nanopartikel kann das optische Rechnen eine ähnlich effiziente und zuverlässige Berechnung wie die Siliziumkanäle und Kupferdrähte ermöglichen, die den Betrieb elektronischer Computer ermöglichen. Darüber hinaus bedeutet das Fehlen physischer Kabel, dass optische Computer weniger anfällig für Schäden durch Hitze oder Vibrationen sind.

Da Photonen leicht manipuliert und kontrolliert werden können, sind photonische Computer schneller und effizienter. Photonenbewegungen können so gesteuert und gesteuert werden, dass sie ohne nennenswerten Leistungsverlust um Kurven fahren und weiterfahren können. Licht kann leicht eingedämmt werden und verliert während der Reise weniger Informationen, was besonders in Situationen nützlich ist, in denen sich die Verbindungen erwärmen könnten, was die Bewegung der Elektronen verlangsamt.

Photonik hat einen hohen Durchsatz von >1 TB/s pro Kanal (von denen es viele in unmittelbarer Nähe geben kann), verglichen mit der Fähigkeit von Kupferkabeln, 1 GB/s pro Kanal zu erreichen.

Die Hoffnung besteht darin, dass der Einsatz von Licht oder Informationstransport zur Entwicklung von Exascale-Computern führen wird. Exascale-Computer könnten Milliarden von Berechnungen pro Sekunde durchführen, 1000-mal schneller als die derzeit schnellsten Systeme.

Wir können die Vor- und Nachteile dieses alternativen Modus also wie folgt abwägen:

Vorteile des optischen Rechnens:

Die Nachteile sind:

Über die Leistungsfähigkeit optischer Computer herrscht unter Forschern Uneinigkeit. Ob sie hinsichtlich Geschwindigkeit, Stromverbrauch, Kosten und Größe mit elektronischen Computern auf Halbleiterbasis konkurrieren können, ist eine offene Frage.

Kritiker argumentieren, dass reale Logiksysteme „Wiederherstellung des Logikpegels, Kaskadierungsfähigkeit, Fan-Out und Eingangs-Ausgangs-Isolierung“ erfordern, die derzeit alle durch elektronische Transistoren zu geringen Kosten, geringem Stromverbrauch und hoher Geschwindigkeit bereitgestellt werden. Damit die optische Logik über Nischenanwendungen hinaus wettbewerbsfähig ist, wären große Durchbrüche in der Technologie nichtlinearer optischer Geräte oder sogar eine Änderung der Art der Datenverarbeitung selbst erforderlich.

Eine weitere Option wäre die Schaffung eines Hybridsystems, das optische Lösungen in die digitale Datenverarbeitung integriert. Es gibt jedoch Hindernisse für den Einsatz von Optiken in der digitalen Datenverarbeitung, „die möglicherweise eine viel vorsichtigere Betrachtung der Wettbewerbsfähigkeit von Optiken mit digitaler Elektronik erfordern.“

Digitales Rechnen erfordert nichtlineare Elemente zur Verarbeitung digitaler Daten. Die erforderlichen Funktionalitäten nichtlinearer Elemente werden alle durch Transistorschaltungen im elektronischen Rechnen bereitgestellt. Bei großen skalierbaren Logikschaltungen kann kein optisches Element oder keine optische Schaltung, weder aktiv noch passiv, all dies leisten und auch hinsichtlich des Energieverbrauchs und des geringen Platzbedarfs der Geräte mit Transistoren konkurrieren.

In der digitalen Kommunikation ist die Datenübertragung über Glasfaser bereits weit verbreitet. Glasfasern nutzen Licht zur Datenmanipulation. Dies ist der Bereich, in dem die optische Technologie am weitesten fortgeschritten ist: Sie wird so häufig genutzt, dass sie im Lexikon der Datenübertragung bereits weit verbreitet ist.

Glasfaserkabel können unterschiedlich viele Glasfasern enthalten, über die Informationen als Lichtimpulse übertragen werden. Glasfaserkabel bieten gegenüber Kupferkabeln Vorteile, darunter eine höhere Bandbreite und Übertragungsgeschwindigkeit. Sie haben vielleicht bemerkt, dass diese Vorteile mit denen des optischen Computings übereinstimmen.

Deutlich einfacher gestaltet sich der Umstieg jedoch bei Glasfaserkabeln, die bereits für Internet-, Fernseh- und Telefonanschlüsse genutzt werden.

Zu den Bereichen aktiver Forschung, die darauf abzielen, einige der aktuellen Einschränkungen des photonischen Computings zu überwinden, gehören:

Lightelligence, ein Spin-out des MIT, entwickelt die nächste Generation von Computerhardware. Das 2017 gegründete Unternehmen gibt an, „die Spitzentechnologie der Photonik in bahnbrechende Computerlösungen umgewandelt zu haben, die nicht nur exponentielle Verbesserungen der Rechenleistung bringen, sondern auch den Energieverbrauch drastisch senken.“

Grundsätzlich nutzt seine Forschung eine Silizium-Fertigungsplattform, die für herkömmliche Halbleiterchips verwendet wird, allerdings auf neuartige Weise. Im optischen Bereich werden arithmetische Berechnungen mithilfe der Physik und nicht mit Logikgattertransistoren durchgeführt, die mehrere Takte erfordern.

Yichen Shen, Mitbegründer und CEO von Lightelligence, sagte, dass das von ihm entwickelte System nur sehr wenig Wärme erzeugt und daher einen geringeren Stromverbrauch hat als elektronenbetriebene Chips.

„Wir verändern die grundlegende Art und Weise, wie Computer betrieben werden, und ich denke, wir tun dies zum richtigen Zeitpunkt in der Geschichte“, sagt Shen. „Wir glauben, dass die Optik die nächste Computerplattform sein wird, zumindest für lineare Operationen wie KI.“

Ja – wie derzeit in der gesamten Technologiewelt hat auch das optische Computing ein begründetes Interesse an KI. Anstatt jedoch darüber nachzudenken, wie künstliche Intelligenz dabei helfen könnte, könnte photonisches Computing die Weiterentwicklung der KI erleichtern.

Selbstfahrende Fahrzeuge sind beispielsweise auf Kameras und KI-Berechnungen angewiesen, um schnelle Entscheidungen zu treffen. Der herkömmliche Chip „denkt“ nicht schnell genug, um die notwendigen Entscheidungen in Sekundenbruchteilen zu treffen, daher ist für eine schnelle Entscheidungsfindung eine schnellere rechnerische Bildgebung erforderlich. Das ist es, was Lightelligence mit Hilfe der Photonik erreicht.

Wir könnten nicht über radikale Veränderungen an Computersystemen sprechen, ohne das Quantencomputing anzusprechen. Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften der Quantenmechanik kann Quantencomputing Probleme lösen, die über die Fähigkeiten der fortschrittlichsten Computer, einschließlich photonischer Computer, hinausgehen.

Der Bereich, in dem optisches Rechnen dem Quantenrechnen voraus ist, ist die Geschwindigkeit, mit der (einfachere) Berechnungen durchgeführt werden können. In einigen Fällen ist optisches Rechnen schneller als Quantencomputer. In vielen Fällen wird optisches Rechnen für den Einsatz zusammen mit Quantencomputern erforscht. Beide haben das Potenzial, die Berechnung und Datenverarbeitung zu revolutionieren.

Wir haben noch keinen optischen Computer gesehen, aber wir stehen an der Spitze der Entwicklung. Seit 2012 gilt das Mooresche Gesetz (dass sich die Anzahl der Transistoren in einem integrierten Schaltkreis alle zwei Jahre verdoppelt) nicht mehr: Die KI-Rechenleistung verdoppelt sich alle 3,4 Monate. Wir sind unglaublich weit und unglaublich schnell gekommen.

Photonische Computer könnten näher sein, als wir denken.

Molly Loe

@TechHQ

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