Computación óptica: el poder de la luz

Molly Loé

@TechHQ

Fuente: Shutterstock

• Las computadoras ópticas funcionan mediante transferencia fotónica. • Podrían ser rápidas, con una mínima pérdida de calor durante la transferencia. • Existe controversia sobre las promesas de la tecnología fotónica.

La informática óptica se está convirtiendo rápidamente en un actor importante, especialmente en el ámbito de la IA. Se te perdonará que nunca hayas oído hablar de él, pero implica láseres y la velocidad de la luz, así que ¿por qué no descubrir más?

Las computadoras ópticas, también conocidas como computadoras fotónicas, realizan cálculos digitales utilizando (lo adivinaste) fotones. Las ondas de luz producidas por láseres o fuentes incoherentes se utilizan como medio principal para realizar cálculos numéricos, razonamiento, inteligencia artificial, procesamiento de datos, almacenamiento de datos y comunicaciones de datos para informática.

Como cualquier ordenador, un ordenador óptico necesita tres cosas para funcionar bien:

La historia de la informática óptica está interrelacionada con el desarrollo de los sistemas de radar. En la década de 1960, con la invención del láser se propusieron los primeros esquemas para una computadora totalmente óptica, y desde la década de 1990, el énfasis se ha desplazado a la interconexión óptica de conjuntos de píxeles inteligentes semiconductores.

Las computadoras tradicionales utilizan electrones para realizar cálculos, pero los fotones tienen la capacidad de permitir un mayor ancho de banda; Los haces visibles e infrarrojos (IR) fluyen entre sí sin interactuar, a diferencia de los electrones, por lo que pueden limitarse a lo que efectivamente es computación bidimensional.

El cableado tridimensional es necesario en las computadoras tradicionales para dirigir las corrientes eléctricas entre sí. Por tanto, una computadora fotónica puede ser más pequeña que su contraparte más común. Al igual que la informática tradicional, las computadoras ópticas utilizan puertas lógicas y rutinas binarias para realizar cálculos, pero la forma en que se realizan estos cálculos es diferente.

La computación óptica puede lograr un cálculo igualmente eficiente y confiable que los canales de silicio y los cables de cobre que permiten el funcionamiento de las computadoras electrónicas, mediante el uso de nanopartículas plasmónicas. Además, la ausencia de cables físicos significa que las computadoras ópticas son menos propensas a sufrir daños por calor o vibraciones.

Como los fotones pueden manipularse y controlarse fácilmente, las computadoras fotónicas son más rápidas y eficientes. Los movimientos de los fotones se pueden guiar y controlar de tal manera que puedan girar en las esquinas y continuar sin una pérdida significativa de potencia. La luz se puede contener fácilmente y pierde menos información durante el viaje, lo que resulta especialmente útil en situaciones en las que las interconexiones pueden calentarse, lo que ralentiza el movimiento de los electrones.

La fotónica tiene un alto rendimiento de >1 TB/s por canal (de los cuales puede haber muchos muy próximos), en comparación con la capacidad del cable de cobre de 1 GB/s por canal.

La esperanza es que el uso de la luz o el transporte de información dé como resultado el desarrollo de computadoras a exaescala. Las computadoras a exaescala podrían realizar miles de millones de cálculos por segundo, 1000 veces más rápido que los sistemas más rápidos actuales.

Así, podemos sopesar las ventajas y desventajas de este modo alternativo de la siguiente manera:

Ventajas de la computación óptica:

Las desventajas son:

Existen desacuerdos entre los investigadores en lo que respecta a las capacidades de las computadoras ópticas. Si pueden o no competir con las computadoras electrónicas basadas en semiconductores en términos de velocidad, consumo de energía, costo y tamaño es una cuestión abierta.

Los críticos argumentan que los sistemas lógicos del mundo real requieren “restauración del nivel lógico, capacidad en cascada, distribución en abanico y aislamiento de entrada-salida”, todo lo cual actualmente se proporciona mediante transistores electrónicos a bajo costo, baja potencia y alta velocidad. Para que la lógica óptica sea competitiva más allá de las aplicaciones específicas, se requerirían avances importantes en la tecnología de dispositivos ópticos no lineales, o incluso un cambio en la naturaleza de la informática misma.

Otra opción sería crear un sistema híbrido que integre soluciones ópticas en la informática digital. Sin embargo, existen impedimentos para el uso de la óptica en la informática digital "que tal vez exijan una visión mucho más cautelosa de la capacidad de la óptica para competir con la electrónica digital".

La informática digital requiere elementos no lineales para procesar datos digitales. Todas las funcionalidades requeridas de los elementos no lineales se proporcionan mediante circuitos de transistores en la informática electrónica. Para grandes circuitos lógicos escalables, ningún elemento o circuito óptico, activo o pasivo, puede hacer todo eso y también competir con los transistores en las métricas de consumo de energía y tamaño pequeño del dispositivo.

En las comunicaciones digitales, la transferencia de datos por fibra óptica ya prevalece. La fibra óptica utiliza la luz para la manipulación de datos. Ésta es el área en la que la tecnología óptica ha avanzado más: se utiliza tanto que ya es común en el léxico de la transferencia de datos.

Los cables de fibra óptica pueden contener un número variable de fibras de vidrio, a través de las cuales se transmite información en forma de pulsos de luz. Los cables de fibra óptica tienen ventajas sobre los cables de cobre, incluido un mayor ancho de banda y velocidades de transmisión. Es posible que hayas notado que estas ventajas se hacen eco de las de la informática óptica.

Sin embargo, hacer el cambio es mucho más sencillo cuando se trata de cables de fibra óptica, que ya se utilizan para conexiones de Internet, televisión y telefonía.

Las áreas de investigación activa destinadas a superar algunas de las limitaciones actuales de la computación fotónica incluyen:

Lightelligence, una filial del MIT, está desarrollando la próxima generación de hardware informático. Fundada en 2017, la empresa afirma haber “transformado la tecnología de vanguardia de la fotónica en soluciones informáticas innovadoras, que no sólo aportan mejoras exponenciales en la potencia informática, sino que también reducen drásticamente el consumo de energía”.

Básicamente, su investigación utiliza una plataforma de fabricación de silicio utilizada para chips semiconductores tradicionales, pero de una forma novedosa. En el dominio óptico, los cálculos aritméticos se realizan con física en lugar de con transistores de puerta lógica que requieren múltiples relojes.

Yichen Shen, cofundador y director ejecutivo de Lightelligence, dijo que debido a que el sistema que está desarrollando genera muy poco calor, tiene un menor consumo de energía que los chips impulsados por electrones.

"Estamos cambiando la forma fundamental en que se hace la informática y creo que lo estamos haciendo en el momento adecuado de la historia", afirma Shen. "Creemos que la óptica será la próxima plataforma informática, al menos para operaciones lineales como la IA".

Sí, como todo el mundo tecnológico en este momento, la computación óptica tiene un gran interés en la IA. Sin embargo, en lugar de pensar en cómo la inteligencia artificial podría ayudar, la computación fotónica podría facilitar un mayor desarrollo de la IA.

Por ejemplo, los vehículos autónomos dependen de cámaras y cálculos de inteligencia artificial para tomar decisiones rápidas. El chip convencional no "piensa" lo suficientemente rápido como para tomar las decisiones necesarias en fracciones de segundo, por lo que se necesitan imágenes computacionales más rápidas para tomar decisiones rápidamente. Eso es lo que Lightelligence dice que está logrando usando la fotónica.

No podríamos hablar de cambios radicales en los sistemas computacionales sin tocar la computación cuántica. Gracias a las propiedades únicas de la mecánica cuántica, la computación cuántica puede resolver problemas que van más allá de las capacidades de las computadoras más avanzadas, incluidas las fotónicas.

El área en la que la computación óptica está por delante de la cuántica es la velocidad a la que se pueden realizar cálculos (más simples). En algunos casos, la computación óptica es más rápida que la cuántica. En muchos casos, se está investigando la computación óptica para su uso junto con las computadoras cuánticas. Ambos tienen el potencial de revolucionar la computación y el procesamiento de datos.

Todavía tenemos que ver una computadora óptica, pero estamos en la frontera de los desarrollos. Desde 2012, la ley de Moore (que afirma que el número de transistores en un circuito integrado se duplica cada dos años) ha quedado obsoleta: la computación de IA se duplica cada 3,4 meses. Hemos llegado increíblemente lejos, increíblemente rápido.

Las computadoras fotónicas podrían estar más cerca de lo que pensamos.

Molly Loé

@TechHQ

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4 agosto 2023

3 de agosto de 2023