Լույսով աշխատող համակարգիչ. Մի՞ֆ, թե տեխնոլոգիական հեղափոխություն
Ավանդական էլեկտրոնային հաշվարկային համակարգերը տասնամյակների զարգացման ընթացքում աստիճանաբար մոտենում էին Մուրի օրենքի սահմանագծին։ Արագության ավելացումն ու տրանզիստորների փոքրացումը չի կարող հավերժ շարունակվել, ֆունդամենտալ քվանտային էֆեկտները հստակ սահման են դնում, որից այն կողմ դասական հաշվարկներն այլևս անհնարին կդառնան։
Դրա հետ մեկտեղ, ինֆորմացիայի քանակն աշխարհում շարունակում է աճել, մեծանում է նաև ավելի ու ավելի արագ, հզոր համակարգիչներ ունենալու անհրաժեշտությունը։ Մասնագետները տարբեր ալտերնատիվ ուղիներ են փնտրում. մի մասը հույսը դնում է չիպերի ճարտարապետության փոփոխության կամ եղած տեխնոլոգիաները օպտիմալացնելու վրա, մյուսները հեռանկարային են համարում քվանտային ու անգամ կենսաբանական հաշվարկային համակարգերը։
Առաջարկվող լուծումները բազմաթիվ են, սակայն դրանց բոլորին միավորում է այն, որ առայժմ չկա անհրաժեշտ մասշտաբավորում ու վերջնական տեխնոլոգիայի տեսլական, որը կկարողանա մրցակցել ավանդական համակարգիչների հետ ու անգամ փոխարինել դրանք։ Լուծումներից մեկը վերաբերում է այսպես կոչված օպտիկական հաշվարկային համակարգերին։ PAN-ը պատմում է դրանց մասին։
Սովորական համակարգչի պրոցեսորի հիմքում տրանզիստորներ են, որոնց հաշվարկային օպերացիաների համար անհրաժեշտ է էլեկտրական հոսանք, այսինքն` էլեկտրոններ։ Օպտիկական հաշվարկներով աշխատող համակարգչի տրամաբանական էլեմենտները հաշվարկների համար պետք է օգտագործեն էլեկտրամագնիսական ճառագայթումը կամ, ավելի պարզ, լուսային ճառագայթները (օպտիկական կամ ինֆրակարմիր), որոնք արձակում են լազերները կամ ոչ կոհերենտ այլ աղբյուրներ։ Իդեալական դեպքում, լիարժեք օպտիկական համակարգչի կառուցվածքը պետք է թույլ տա տվյալների մշակումը, պահպանումը կամ փոխանցումն իրականացնել բացառապես ֆոտոնների միջոցով։
Այս հեռանկարային, սակայն առայժմ միայն լաբորատոր պայմաններում փորձարկվող տեխնոլոգիայի կողմնակիցները համոզված են, որ էլեկտրոնների (սովորական հոսանքի) փոխարեն ֆոտոնները հաշվարկային հիմք դարձնելու դեպքում զգալիորեն կավելանա համակարգչի տվյալների մշակման հաճախականությունը, խոշոր ու բարդ հաշվարկները կիրականացվեն արագությամբ, որն անհասանելի է ավանդական համակարգիչների համար, իսկ էներգիայի ծախսը զգալիորեն կկրճատվի։
Արդյո՞ք դա այդպես է, կփորձենք պարզել։
Նախ, էներգիայի խնայողության մասին։ Անհրաժեշտ է իմանալ, որ օպտիկական հաշվարկների ոլորտում հետազոտությունների մեծ մասը կենտրոնացած է ոչ թե լիարժեք մասշտաբավորվող ու բացառապես օպտիկական կոմպոնենտներով աշխատող հաշվարկային համակարգերի ստեղծման, այլ գոյություն ունեցող համակարգչային որոշ կոմպոնենտներ համարժեք օպտիկական կոմպոնենտներով փոխարինելու ու դրանք ավանդական էլեկտրոնային հաշվարկային համակարգերում ինտեգրելու շուրջ, ինչը թույլ է տալիս ստեղծել երկուական տվյալներ մշակող օպտիկա-էլեկտրոնային հիբրիդային սարքեր։ Կոմերցիոն օպտիկական հաշվարկների ոլորտում կարճաժամկետ հաջողության հասնելու համար սա լավագույն միջոցն է, սակայն հիբրիդները իրենց ծախսած էներգիայի 30%-ն ուղղում են էլեկտրական էներգիան ֆոտոնների ու հակառակը վերածելու պրոցեսին, ինչն, իր հերթին, դանդաղեցնում է տվյալների փոխանցումը։
Պարզ է, որ լիարժեք օպտիկական համակարգչում նման փոխակերպումների անհրաժեշտություն չկա, սակայն նման համակարգչի ստեղծումը ու մասշտաբավորումը ոչ տրիվիալ ինժեներական խնդիր է։
Ինչպես նշվեց սկզբում, ավանդական համակարգչի հիմքում էլեկտրական հոսանքով աշխատող տրանզիստորն է։ Հետևաբար, օպտիկական համակարգչին անհրաժեշտ է օպտիկական տրանզիստոր, որը տրամաբանական օպերացիաները պետք է կատարի ոչ թե հոսանքի, այլ ֆոտոնների միջոցով։ Դրա համար օգտագործվում են բեկման ոչ գծային ցուցիչով նյութեր, որոնց վրա ընկնող լույսի ինտենսիվությունը ազդում է նյութի միջով անցած լույսի ինտենսիվության վրա։ Պարզագույն դեպքում, օպտիկական տրանզիստորի մուտք մտնող լույսը պետք է փոխի տրանզիստորի ելքի լույսի ինտենսիվությունը, ընդ որում` ելքային ճառագայթումը պետք է ապահովվի լրացուցիչ օպտիկական աղբյուրով։ Մուտք մտնող օպտիկական ազդանշանի ինտենսիվությունը կարող է ավելի ցածր լինել, քան վերոնշյալ օպտիկական աղբյուրի ճառագայթած ալիքներինն է, հետևաբար` տրանզիստորը պետք է ուժեղացնի օպտիկական ազդանշանը։
Եթե անտեսենք քվանտային էլեկտրադինամիկայի խիստ հազվագյուտ պրոցեսները, ֆոտոնները միմյանց հետ չեն փոխազդում, հետևաբար` օպտիկական տրանզիստորը պետք է ապահովի փոխազդեցության համար անհրաժեշտ աշխատանքային միջավայր։ Հետազոտողներն առաջարկել են նման միջավայրերի մի շարք իրացումներ, շատ դեպքերում գիտափորձով ցույց տալով մեթոդի աշխատունակությունը։ Դրանց թվում է էլեկտրամագնիսական ինդուցված թափանցիկությունը` կոհերենտ օպտիկական ոչ գծայնություն, որը միջավայրը թափանցիկ է դարձնում նեղ սպեկտրալ դիապազոնում; օպտիկական ռեզոնատորը կամ միկրոռեզոնատորը; առանց ռեզոնատորի ազատ տարածությունում` ուժեղ փոխազդող ռիդբերգյան վիճակներով; անուղղակի էքսիտոնները (էլեկտրոնների ու էլեկտրոնային խոռոչների կապված զույգեր) և բազմաթիվ այլ լուծումներ։ Սակայն այս պահին առաջարկված միջավայրերի կիրառությունն ու ժամանակակից էլեկտրոնիկայի հետ մրցակցելու հնարավորությունները խիստ սահմանափակ են։
Այդ դեպքում, ինչո՞ւ են հետազոտողները շարունակում ջանքեր գործադրել տեխնոլոգիայի ստեղծման ուղղությամբ։ Նախ, որովհետև կարծիք կա, որ օպտիկական տրանզիստորների անցման ժամանակը կարող է զգալիորեն ավելի փոքր լինել, քան ավանդական էլեկտրոնային տրանզիստորների դեպքում։ Դա հասկանալի է, քանի որ օպտիկական միջավայրում լույսի արագությունը շատ անգամներ գերազանցում է կիսահաղորդիչներում էլեկտրոնների դրեյֆի արագությունը։ Այդուհանդերձ, պետք է հիշել, որ ցանկացած էլեկտրամագնիսական ալիք ենթարկվում է տվյալ սպեկտրալ թողունակության համար վերափոխման սահմանին, հետևաբար արագությունը, որով օպտիկական տրանզիստորը կարող է արձագանքել ազդանշանին, սահմանափակված է մնում թողունակության սպեկտրալ գծով։ Խնդիրն, իհարկե, հաղթահարելի է. էլեկտրոնային տրանզիստորներից բարձր արագության հասնեկու համար անհրաժեշտ կլինի մշակել պրակտիկ մեթոդներ, որոնք թույլ կտան փոխանցել գերկարճ իմպուլսներ բարձր դիսպերսիոն միջավայրերով։ Ինչպես հասկանում եք, սա բավականին բարդ ինժեներական խնդիր է։
Կասկածելի է նաև այն, կարող է արդյոք տվյալների օպտիկական մշակումը մեկ տրանզիստորի անցման ընթացքում ավելի քիչ էներգիա ծախսել, քան էլեկտրոնայինը։ Դրան հնարավոր է հասնել առաջարկվող միաֆոտոն տրանզիստորների դեպքում, որոնք նախատեսված են տվյալների քվանտային մշակման համար, սակայն էլեկտրոնային համակարգչի հետ մրցակցելու համար օպտիկական հաշվարկներ կատարող տրանզիստորին անհրաժեշտ է մի քանի տասնյակ ֆոտոն։
Մյուս կողմից, հետազոտողները կարծում են, որ էներգախնայողության առումով զգալի առավելության կարելի է հասնել զուտ ֆիզիկական պարամետրերից ելնելով։ Բանը նրանում է, որ օպտիկական չիպերում առանձին տրամաբանական վենտիլների միջև միացումներում էլեկտրական լիցքի կուտակման անհրաժեշտություն չկա, ինչպես էլեկտրոնայինի դեպքում է, իսկ փոխանցման գծերի լիցքավորումը ավանդական չիպերում էներգիայի կորստի գլխավոր պատճառներից է։ Այս էներգետիկ կորուստներից կարելի է խուսափել օպտիկական հաշվարկային համակարգերում, երբ ուղիներով անհրաժեշտ է փոխանցել միայն այնքան էներգիա, որքան պետք է օպտիկական տրանզիստորի անցման համար։
Ավելի բարձր արագության, էներգախնայողության ու կապի օպտիկական համակարգերի հետ ավելի բարձր համատեղելիության հետ մեկտեղ օպտիկական տրանզիստորը պետք է բավարարի (PDF) նաև մի շարք այլ պահանջների` ավանդական էլեկտրոնիկայի հետ մրցակցելու համար։ Առայժմ ոչ մի լուծում լիովին չի բավարարել բոլոր այդ պահանջներին։ Դրանք են.
* Ճյուղավորվածությունը. տրանզիստորի ելքը պետք է ճիշտ ձև ու հզորություն ունենա, որպեսզի բավարար լինի նվազագույնը երկու այլ տրանզիստորի մուտքի աշխատանքի համար։ Այսինքն, մուտքի ու ելքի ալիքի երկարությունը, ճառագայթի ու իմպուլսի ձևը պետք է համատեղելի լինեն։
* Ազդանշանը պետք է «մաքրվի» յուրաքանչյուր տրանզիստորի կողմից, աղմուկն ու ազդանշանի որակի անկումը պետք է վերացվեն, որպեսզի դրանք չտարածվեն ամբողջ համակարգով` կուտակելով սխալներ։
* Տրամաբանական գործողությունները պետք է կախված չլինեն հեռավորության հետ ազդանշանի ինտենսիվության նվազումից։
Այս բոլոր պայմաններին բավարարող հիպոթետիկ օպտիկական տրանզիստորը հնարավոր կլինի օգտագործել օպտիկական տրամաբանական էլեմենտներ ստեղծելու համար, որոնք, իրենց հերթին, կձևավորեն համակարգչի կենտրոնական պրոցեսորի ավելի բարձր մակարդակի էլեմենտները։ Արդյունքում պետք է ստացվի ոչ գծային օպտիկական բյուրեղ, որում հնարավոր է մանիպուլացնել լուսային ճառագայթները` այլ լուսային ճառագայթները կառավարելու համար։ Առայժմ տեխնոլոգիան խիստ անկատար է, ու, ինչպես նշեցինք, կա միայն լաբորատորիայում։
Հարցականի տակ է նաև այն, կարող են արդյոք օպտիկական համակարգիչները մրցակցել ավանդական էլեկտրոնային համակարգիչների հետ ոչ միայն արագության ու էներգախնայողության, այլև չափերի ու արժեքի առումով։ Իրական տրամաբանական համակարգերը պահանջում են տրամաբանական մակարդակի վերականգնում առանց աղմուկի ու սխալների կուտակման, կասկադավորում, ճյուղավորում ու մուտքի-ելքի մեկուսացում, ինչը ներկայիս էլեկտրոնային տրանզիստորներն ապահովում են ցածր արժեքով ու հզորությամբ, ինչպես նաև բարձր արագությամբ։ Որպեսզի օպտիկական տրամաբանությունը մրցունակ լինի, անհրաժեշտ կլինեն խոշոր ձեռքբերումներ ոչ գծային օպտիկական սարքավորումների ոլորտում, անգամ, հնարավոր է, առաջանա հաշվարկների բնույթը փոխելու անհրաժեշտություն։
Մի քանի խոսք ֆոտոնային հաշվարկների կամ ֆոտոնային տրամաբանության մասին, որը, ինչպես երևում է անվանումից, օգտագործում է ֆոտոններ տրամաբանական էլեմենտներում։ Առավել հեռանկարային են այս առումով ռեզոնատորները, քանի որ դրանք թույլ են տալիս կուտակել կոնստրուկտիվ ինտերֆերենցիայի արդյունքում առաջացած էներգիան` ուժեղացնելով ոչ գծային օպտիկական էֆեկտները։ Այլ մոտեցումներ նույնպես կան, ֆոտոնային տրամաբանական պրոցեսները փորձարկվել են անգամ ֆոտոլյումենսցենտ քիմիական նյութերի միջոցով։
Տեքստից կարող է տպավորություն առաջանալ, որ օպտիկական հաշվարկային համակարգերն անհեռանկար տեխնոլոգիաներ են, որոնք կոչված են միայն մսխելու գրանտներով ստացված գումարները։ Իրականում, սակայն, սովորական էլեկտրոնային հաշվարկային համակարգերի մոտենալը Մուրի օրենքի սահմանին, ստիպում է հետազոտողներին այլ ուղիներ փնտրել, ու, որքան էլ տարօրինակ հնչի, օպտիկականը ամենահեռանկարայիններից մեկն է։ Այո, խոսքը ծայրահեղ բարդ կիրառական խնդիրների լուծման անհրաժեշտության մասին է, սակայն դա չի նշանակում, որ դրանց հասնելու ուղիները ընդմիշտ փակ են։ Համենայնդեպս, ֆիզիկայի հայտնի օրենքները ոչ մի կերպ դրան չեն խոչընդոտում։