Проливая свет на клеточные автоматы

Закон Мура, названный в честь соучредителя Intel Гордона Мура, представляет собой наблюдение, согласно которому количество транзисторов в микрочипе удваивается примерно каждые два года, что со временем приводит к значительному увеличению вычислительной мощности. Этот принцип был движущей силой быстрого развития технологий на протяжении нескольких десятилетий. Однако сохранение закона Мура все чаще сталкивается с трудностями из-за физических ограничений, поскольку компоненты уменьшаются до все меньших и меньших размеров.

Чтобы предотвратить замедление развития компьютерных чипов, вызванное отменой закона Мура, исследователи изучают альтернативные технологии, такие как фотонные вычисления. Фотонные вычисления используют свет или фотоны вместо электронов для передачи и обработки данных. Свет уже успешно используется в сфере связи, позволяя осуществлять более быструю передачу данных на большие расстояния по сравнению с традиционными проводными соединениями. Хотя свет может быстро передавать информацию, им сложно манипулировать и контролировать свет для сложных вычислений. Таким образом, до сих пор неясно, как эта технология может заменить традиционные компьютерные архитектуры.

Возможно, это не полностью универсальный компьютер, но команда инженеров Калифорнийского технологического института считает, что их фотонная вычислительная архитектура является шагом к этой цели. Их решение основано на концепции клеточных автоматов или моделируемых ячеек, которые следуют заранее определенному набору правил. Наиболее узнаваемым примером клеточных автоматов является «Игра жизни» Конвея, в которой правила, имитирующие такие вещи, как перенаселение и воспроизводство, заставляют клетки умирать или процветать. Эти системы обычно работают в программном обеспечении на традиционном вычислительном оборудовании, но в этой работе была разработана аппаратная система клеточных автоматов, которая использует фотонику для вычислений.

Одним из факторов, который делает световые вычисления такими сложными, является то, что для передачи и хранения световой информации вокруг компьютера необходимо множество вентилей, переключателей и других компонентов — а таких компонентов с достаточной производительностью сегодня не существует. Это ограничение делает клеточные автоматы желательной архитектурой. Поскольку этот метод требует, чтобы клетка взаимодействовала только со своими непосредственными соседями, аппаратное обеспечение для управления светом может быть значительно упрощено. Более того, высокая пропускная способность этих фотонных соединений делает обработку невероятно быстрой.

Аппаратное обеспечение представляет собой элементарные клеточные автоматы с временным мультиплексированием посредством импульсов лазера с синхронизацией мод с фиксированной частотой повторения. Наличие импульсов отражает состояние живой клетки, а отсутствие импульсов — мертвой клетки. Состояния ячеек кодируются с помощью электрооптического модулятора, который разделяет сигнал между тремя оптическими линиями задержки. Эти задержки позволяют сигналу интерферировать с сигналами его ближайших соседей и, таким образом, изменять состояние ячейки, которая находится до или после него в одномерной решетке. Затем оптоэлектронная пороговая обработка определяет новое состояние каждой ячейки, а результаты сохраняются в программируемой вентильной матрице, которая служит для управления следующей итерацией или циклом компьютера.

Исследователи полагают, что сверхбыстрые операции, ставшие возможными благодаря их системе, в конечном итоге могут привести к разработке компьютерной архитектуры следующего поколения, которая будет выполнять задачи более эффективно, чем современные цифровые компьютеры. Однако эти компьютеры на основе клеточных автоматов ограничены в типах операций, которые они могут выполнять, поэтому в ближайшее время у вас, вероятно, не будет фотонного компьютера на вашем рабочем столе. Но даже несмотря на это, команде удалось продемонстрировать с помощью своего устройства некоторые сложные явления, включая фракталы, хаос и солитоны. Задачи такого рода обычно связаны с гораздо более сложным оборудованием, поэтому, возможно, после некоторой дополнительной работы системы на основе клеточных автоматов станут способны выполнять более широкий спектр полезных задач.