کامپیوتر فوتونیک؛ نویدبخش انجام محاسبات با سرعت نور

در سال های اخیر، دنیای محاسبات با مشکلات زیادی روبرو بوده است. آینده پژوهان و فناوران آشکارا نگران سرنوشت رایانه‌هایی هستند که با CPU و GPU کار می کنند. مطالعات جدید نشان می‌دهد که یک رایانه کاملا متفاوت ممکن است رهبری این حوزه را بر عهده بگیرد: کامپیوتر فوتونیک وارد می‌شود. آینده درخشان است. پردازنده‌های فوتونیک نوید سرعت محاسباتی فوق‌العاده‌ای را با مصرف کمترین انرژی می‌دهند و می‌توانند یادگیری ماشینی را متحول کنند.

کامپیوتر فوتونیک چیست؟
فوتونیک یک سیستم کامپیوتری است که محاسبات را با سرعت فوق العاده‌ای با استفاده از پالس‌های نوری و با مصرف انرژی بسیار کمتر انجام می‌دهد. این فناوری می‌تواند یادگیری ماشین را متحول کند. اگر این پردازنده‌ها به صورت انبوه تولید شوند، پتانسیل ایجاد انقلابی بزرگ در صنعت یادگیری ماشینی و وظایف محاسباتی را خواهد داشت. درحال حاظر، این کامپیوتر فوتونیک بسیار جذاب به نظر می‌رسند و در آستانه ورود به بازار هستند. این کامپیوترها می‌توانند اوضاع را به شدت تغییر دهند. ایده رایانه‌های فوتونیکی ایده جدیدی نیست و ضرب‌های ماتریس نوری برای اولین بار در دهه 1970 دلیلی برای اثبات آن است. با این حال، هنوز موانع بسیاری برای آن‌ها در سطح عملی وجود دارد که باید حل شود.

کامپیوتر فوتونیک چه کمکی به انسان می‌کند؟
استفاده از فوتون‌ها یک انتخاب خوب برای سرعت بخشیدن به کارهاست. کابل‌های فیبر نوری نسبت به سیم‌های آلومینیومی یا مسی برای دنیای مدرن و ارتباطات با داده‌های دیجیتال برتری دارند. در مقایسه با سیم کشی فلزی، آن‌ها می‌توانند اطلاعات بیشتری را سریع‌تر و بدون تخریب سیگنال‌ها منتقل کنند.

حتی اگر در حال حاضر برخی از دیتاسنترها از کابل‌های نوری برای انتقال سریع داده‌ها استفاده می‌کنند، باز هم انتقال داده‌ها از نقطه A به B با قرار دادن خطوط فیبر نوری روی یک تراشه که امکان پردازش ماتریسی را فراهم می‌کند، کاملا متفاوت است. رایان هامرلی در مقاله IEEE Spectrum، پرونده تراشه‌های فوتونیکی را همراه با پیشنهادهایی برای حل مسائل کلیدی آن مطرح کرد.

تفاوت پردازنده‌های سنتی و کامپیوتر فوتونیک
اولین و مهم‌ترین روشی که پردازنده‌های سنتی با آن کار می‌کنند، مبتنی بر ترانزیستور غیر خطی است. هامرلی می‌گوید: «غیرخطی بودن چیزی است که به ترانزیستورها اجازه می‌دهد روشن و خاموش شوند و آن‌ها را به گیت‌ تبدیل می‌کند. در سوی دیگر، فوتون‌ها از معادلات ماکسول خطی پیروی می‌کنند، به این معنی که خروجی یک دستگاه نوری معمولا متناسب با ورودی‌های آن است. راه حل این است که از خطی بودن دستگاه‌های نوری برای انجام چیزی که یادگیری عمیق بیشتر به آن متکی است استفاده کنید.

مزایای سیستم کامپیوتر فوتونیک
مزایای بالقوه کارکرد چنین سیستمی می‌تواند بسیار زیاد باشد. با فناوری های موجود عصر حاضر، ادعاهایی مبنی بر این که محاسبات شبکه‌های عصبی هزاران بار بهتر از سیستم‌های فعلی هستند نیز مطرح می‌شود. هامرلی اعتراف می‌کند که هنوز موانع بزرگی وجود دارد که باید بر آن‌ها غلبه کرد. او می‌گوید شاید دست یافتن به شبکه‌های عصبی فراتر از دقت 10 بیتی امکان پذیر نباشد. اگرچه در حال حاضر سیستم‌های 8 بیتی وجود دارند، اما برای اینکه واقعا کارها را پیش ببرند به دقت بسیار بیشتری نیاز است.

پس از آن، مشکل قرار دادن اجزای نوری بر روی تراشه‌ها وجود دارد. این ابزار نوری نه تنها فضای بسیار بیشتری را نسبت به ترانزیستورها اشغال می‌کنند، بلکه نمی‌توان آن‌ها را در جایی نزدیک به تراشه قرار داد و این یک مشکل نسبتا بزرگ ایجاد می‌کند. اگرچه چالش‌هایی که با آن روبه‌رو می‌شویم هنوز بسیار زیاد است اما مزایای این فناوری می‌تواند پیشرفت‌هایی را به ارمغان بیاورد.

تراشه Lightmatter Envise
با تمام آنچه گفته شد، در حال حاضر تعدادی از شرکت‌ها در حال توسعه پردازنده‌ها و شتاب‌دهنده‌های فوتونیکی هستند، از جمله استارت‌آپ‌های MIT Lightmatter و Lightelligence. شرکت‌هایی مانند این‌ها همراه با پردازنده Etile و Luminous، رویکردهای متفاوتی را برای حل مشکلات فعلی ارائه می‌دهند. در واقع Lightmatter در نظر دارد در اواخر امسال یک برد شتاب دهنده نوری به بازار عرضه کند.

Lightmatter ادعا می‌کند که تراشه فوتونیکی آن به نام Envise، پنج برابر سریع‌تر از پردازنده گرافیکی Nvidia A100 Tensor Core است و در برخی از قدرتمندترین دیتا سنترهای جهان قرار دارد. همچنین ادعا می‌کند که چگالی محاسباتی آن چندین برابر بیشتر از Nvidia DGX-A100 است. سیستم Blade این شرکت که شامل 16 تراشه Envise در پیکربندی سرور 4-U است، ظاهرا تنها 3 کیلو وات انرژی مصرف می‌کند!

این شرکت در اوایل سال جاری، 80 میلیون دلار برای کمک به عرضه تراشه خود به بازار جمع‌آوری کرد و اولیویا نوتبوهم، مدیر عامل سابق Dropbox نیز به هیئت مدیره این شرکت ملحق شد.

هدف تراشه Lightmatter Envise چیست؟هدف این تراشه بهبود است؛ از وسایل نقلیه خودران گرفته تا پردازش زبان و توسعه دارویی. ادعای بزرگی است، اما به نظر می‌رسد Lightmatter یک محصول واقعی دارد که به جای یک آزمایشگاه فناوری یا مقاله علمی کار می‌کند. نیاز به حل مسائلی مانند: مصرف برق و انتشار CO2 می‌تواند محرک‌های قدرتمندی در این “مسابقه فضایی” باشد؛ زیرا این موضوع تقریبا در صدر اخبار فناوری جهان قرار دارد. همانطور که با فراگیر شدن یادگیری ماشینی تقاضای محاسباتی افزایش می‌یابد، تقاضا برای جبران اثرات زیست‌ محیطی نیز بیشتر می‌شود.

کامپیوتر کوانتومی فوتونیککامپیوتر فوتونیک با اتصالات واحدهای محاسباتی (کیوبیت) خود به سرعت محاسبات بالاتری نسبت به کامپیوترهای کلاسیک دست می‌یابند. دقیقا در این مقیاس است که رویکرد فوتونیک، که از ذرات نور (فوتون‌ها) به عنوان کیوبیت استفاده می‌کند، مزایای بسیار زیادی را به همراه خواهد داشت. این به این دلیل است که توابع مورد نیاز برای عملیات محاسباتی را می‌توان با استفاده از فرآیندهای پیچیده ساخت نیمه هادی بر روی یک تراشه تولید کرد.

Fraunhofer IPMS در حال انجام تحقیقاتی بر روی یک کامپیوتر فوتونیک است. هدف این پروژه ارائه مزیتی برای محاسبه برنامه‌های کاربردی مرتبط با صنعت می‌باشد. بهینه‌سازی  زمان‌بندی در فرودگاه‌ها در صورت تاخیرهای پیش‌بینی نشده مثال بارزی از این فناوری‌ست. برای این کار، کنسرسیوم متشکل از تحقیقات دانشگاهی، استارت‌آپ‌ها و صنایع در حال توسعه یک محاسبات فوتونیکی جدید هستند که یک کامپیوتر کوانتومی با حداکثر 100 کیوبیت را در طول پروژه فعال می‌کند.

این پروژه بر اساس روشی که برای ساخت تراشه‌های کامپیوتری کوانتومی بسیار قدرتمند توسعه یافته بود، انجام می‌شود. فرآیند تراشه کامپیوتر فوتونیک با ایجاد کانال‎های نوری بر روی تراشه‌های سیلیکونی، قادر به انتقال، کنترل و نظارت بر کوانتوم‌ها می‌باشد. این فناوری جدید در تراشه‌ها در آینده می‌توانند در رایانه‌های معمولی نیز استفاده شوند. طراحی یکپارچه بر اساس فرآیندهای تولید تراشه‌های نیمه هادی نوید توسعه بیشتر از 100 کیوبیت را می‌دهد. متناسب با این معماری جدید، الگوریتم‌های بهینه‌سازی شده برای محاسبات کوانتومی در طول پروژه توسعه داده می‌شوند و از طریق اتصال ابری در دسترس عموم قرار خواهند گرفت.

پردازنده‌های نوری فوریه
تبدیل فوریه گسسته یکی از ابزارهای قدرتمند در پردازش سیگنال دیجیتال است که با استفاده از آن می‌توان طیف سیگنالی را با طول متناهی را به دست آورد. بسیاری از محاسبات، به ویژه در کاربردهای علمی، به استفاده از تبدیل فوریه گسسته دو بعدی (DFT) نیاز دارند. اگرچه فناوری‌های مدرن GPU معمولا محاسبات با سرعت بالا را امکان‌پذیر می‌کنند، اما در عین حال تکنیک‌هایی توسعه یافته‌اند که می‌توانند با استفاده از خاصیت تبدیل طبیعی فوریه لنزها، تبدیل فوریه پیوسته را به صورت نوری انجام دهند.

ورودی با استفاده از یک مدولاتور نور فضایی کریستال مایع کدگذاری می‌شود و نتیجه با استفاده از سنسور تصویر معمولی CMOS یا CCD اندازه گیری می‌شود. چنین معماری‌های نوری می‌توانند مقیاس‌بندی برتری از پیچیدگی محاسباتی را به دلیل ماهیت بسیار به هم پیوسته انتشار نوری ارائه دهند و برای حل معادلات حرارتی دوبعدی استفاده شده‌اند.

نتیجه گیری
Fraunhofer IPMS در حال توسعه و کنترل یکپارچه اجزای اپتوالکترونیکی کامپیوتر فوتونیک است و توسعه دهندگان این پروژه قصد دارند به زودی نمونه اولیه این فناوری جدید را ارائه کنند. علاوه بر این، حداکثر ظرف پنج سال آینده یک تراشه کامپیوتری کوانتومی با قابلیت انجام محاسبات در مقیاس بزرگ تر ساخته خواهد شد.