Kur pionieri gjerman i kompjuterave Konrad Zuse ndërtoi kompjuterin e parë të programueshëm në botë në kohën e luftës në Berlin, ai kryente aritmetikën me pikë lundruese me një shpejtësi orësh midis 5 dhe 10 Hz. Makina u konsiderua e panevojshme për përpjekjet e luftës gjermane dhe nuk u përdor kurrë për llogaritjet e përditshme. Në vitin 1943, ajo u shkatërrua gjatë një sulmi ajror aleat. Sidoqoftë, Z3, siç quhej, i dha Zuse një pretendim të fortë se ishte shpikësi i kompjuterit modern.
Pas luftës, shpejtësia e orës së kompjuterëve u rrit në mënyrë eksponenciale, në përputhje me Ligjin e Moore. Çdo rritje solli aplikacione të reja duke filluar nga sistemet udhëzuese te ekranet e kompjuterit, grafika me rezolucion të lartë dhe më shumë.
Deri në vitin 2005, çipat kompjuterikë funksiononin një miliard herë më shpejt se Z3 në rajonin prej 5 GHz. Por më pas përparimi ngeci. Sot, çipat më të avancuar ende funksionojnë në rreth 5 GHz, një pengesë kufitare që ka kufizuar ndjeshëm përparimin në fushat që kërkojnë përpunim ultra të shpejtë të të dhënave.
Përpunim ultra i shpejtë
Tani kjo duket se do të ndryshojë falë punës së Gordon Li dhe Midya Parto në Institutin e Teknologjisë të Kalifornisë në Pasadena, dhe kolegëve, të cilët kanë projektuar dhe testuar një kompjuter tërësisht optik të aftë për shpejtësi orësh që tejkalojnë 100 GHz. “Kompjuteri tërësisht optik realizon operacione lineare, funksione jolineare dhe memorie tërësisht në domenin optik me shpejtësi të orës > 100 GHz,” thonë ata. Puna e tyre hap rrugën për një epokë të re të llogaritjes ultra të shpejtë me aplikime në fusha që variojnë nga përpunimi i sinjalit deri te njohja e modeleve dhe më gjerë.
Shpejtësia e orës së një çipi koordinon operacionet e njëpasnjëshme në të gjithë pajisjen dhe në fund rregullon sa shpejt një kompjuter mund të ekzekutojë udhëzimet. Historikisht, rritja e shpejtësisë së orës përkthehet drejtpërdrejt në llogaritje më të shpejta. Por në kapërcyell të mijëvjeçarit, prodhuesit e çipave filluan të kuptojnë se kjo rritje nuk mund të vazhdonte.
Stagnimi ishte për shkak të dy faktorëve kryesorë. Së pari, zbërthimi i shkallëzimit të Dennard-it, i cili parashtroi se ndërsa tranzistorët tkurren, dendësia e fuqisë mbetet konstante. Kjo kishte lejuar që çipat të rriteshin më shpejt pa rritur konsumin e energjisë. Por kjo shkallë u prish sepse tranzistorët më të shpejtë dhe më të vegjël lejuan rrjedhjen e më shumë rrymës, duke shkaktuar spirale të konsumit të energjisë. Kjo i detyroi prodhuesit e çipave të mbanin shpejtësinë e orës konstante.
Problemi i dytë ishte i ashtuquajturi bottleneck von Neumann, i cili është një kufi për shpejtësinë që të dhënat mund të udhëtojnë midis memories dhe procesorit. Kjo pengesë parandaloi shfrytëzimin e shpejtësive më të shpejta të orës dhe i detyroi projektuesit e çipave të lëvizin drejt modeleve paralele siç janë procesorët me shumë bërthama të zakonshëm sot.
Megjithatë, me shpejtësi të ndenjur të orës, çipat kanë qenë të papërshtatshëm për të adresuar nevojat e aplikacioneve që kërkojnë përpunim në kohë reale në shkallë pikosekondi ose më të shpejtë. “Kjo paraqet një problem të pazgjidhshëm për aplikacionet që kërkojnë përpunim ose kontroll në kohë reale të sistemeve të informacionit ultra të shpejtë,” thonë Li, Parto dhe bashkë.
Dizajni i ri është një version i thjeshtë tërësisht optik i një lloji qarku të njohur si një rrjet nervor i përsëritur. Kjo përbëhet nga një shtresë hyrëse që merr një sinjal, një zgavër optike që vepron si një shtresë e dytë që përmban sythe kthyese (ose sythe të përsëritura) që mund të modifikohen për të ndryshuar sjelljen e pajisjes dhe një shtresë dalëse që prodhon rezultatin e këtij llogaritje. Zgavra optike gjithashtu vepron si një memorie pasi sinjali riqarkullohet përmes sytheve të përsëritura.
E bukura e dizajnit tërësisht optik është se shpejtësia e llogaritjes përcaktohet nga shpejtësia e dritës dhe frekuenca e pulseve optike. “Shpejtësia efektive e orës është e barabartë me shkallën e përsëritjes së pulsit lazer,” thonë ata. “Ne përdorim konceptin e periudhës së orës për të nënkuptuar kohën minimale midis operacioneve të njëpasnjëshme të kompjuterit.”
Studiuesit përdorin pajisjen e tyre për të demonstruar një sërë detyrash standarde për një rrjet nervor, të tilla si klasifikimi i formës së formave të valëve optike, parashikimi i vlerës së radhës në një seri kohore duke pasur parasysh vlerat e mëparshme dhe gjenerimi i imazheve me anë të difuzionit. Por përparimi kryesor është aftësia për të kryer këto detyra me shpejtësi deri në 100 GHz.
Vendimet e sekondës së ndarë
Ekipi thotë se qasja e tyre ka aplikime të shumta. “Ne besojmë se aplikacionet më të dobishme afatshkurtër për këtë lloj kompjuteri optik ultra të shpejtë do të jenë ato në të cilat sinjali i hyrjes ndodh në mënyrë vendase në domenin optik, duke anashkaluar kështu nevojën për gjenerimin e sinjalit të hyrjes elektro-optike,” thonë ata.
Shembujt përfshijnë imazhe ultra të shpejta, përpunimin e sinjalit optik për telekomunikacionet me shpejtësi të lartë, rangun e saktësisë duke përdorur lazer femtosekondë dhe tregtimin me shpejtësi të lartë. Përtej kësaj, AI gjeneruese mund të përdorë këto sisteme për të krijuar simulime me besnikëri të lartë ose për të kryer konkluzione ultra të shpejta në skenarë që kërkojnë vendime të sekondës së ndarë, siç janë automjetet autonome.
Dhe ekipi thotë se procesori i tyre mund të bëhet më i shpejtë. Konfigurimi aktual eksperimental mbështetet në komponentë optikë të shumtë, të cilët nuk janë ende të përshtatshëm për integrim në shkallë të gjerë. Kalimi në zbatime në shkallë të çipit duke përdorur materiale si niobati i litiumit me shtresë të hollë mund të mundësojë sisteme kompakte dhe të shkallëzueshme.
“Rezultatet tona nxjerrin në pah potencialin e llogaritjes tërësisht optike përtej asaj që mund të arrihet me elektronikën dixhitale,” thonë Li, Parto dhe bashkë. “Kjo punë nxjerr në pah një regjim të ri për llogaritjet optike ultra të shpejta, duke mundësuar aplikacione të reja që kërkojnë përpunim informacioni në kohë reale dhe kontroll të reagimit në shkallët kohore pikosekonda.”
Zuse me siguri do të impresionohej!
Ref: Llogaritja tërësisht optike me shpejtësi të orës përtej 100 Ghz: arxiv.org/abs/2501.05756
