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May 08, 2023

Computación óptica: el poder de la luz

molly loe

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@Tecnología

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Fuente: Shutterstock

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

La computación óptica se está convirtiendo rápidamente en un jugador importante, especialmente en el ámbito de la IA. Se le perdonará que nunca haya oído hablar de él, pero involucra láseres y la velocidad de la luz, entonces, ¿por qué no averiguar más?

Las computadoras ópticas, también conocidas como computadoras fotónicas, realizan cálculos digitales usando, 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 la informática.

Como cualquier computadora, una computadora óptica necesita tres cosas para funcionar bien:

La historia de la computación 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 usan electrones para realizar cálculos, pero los fotones tienen la capacidad de habilitar un mayor ancho de banda; los rayos 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. Entonces, una computadora fotónica puede ser más pequeña que su contraparte más común. Al igual que la computación tradicional, las computadoras ópticas usan puertas lógicas y rutinas binarias para realizar cálculos, pero la forma en que se realizan estos cálculos es diferente.

La computación óptica puede lograr una computación igualmente eficiente y confiable con los canales de silicio y los cables de cobre que permiten que las computadoras electrónicas funcionen, 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.

Debido a que los fotones se pueden manipular y controlar fácilmente, las computadoras fotónicas son más rápidas y eficientes. Los movimientos de fotones pueden ser guiados y controlados de tal manera que puedan girar en las esquinas y continuar sin una pérdida significativa de energía. La luz se puede contener fácilmente y pierde menos información durante el viaje, lo que es 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 en las proximidades), 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 resulte en el desarrollo de computadoras a exaescala. Las computadoras a exaescala podrían realizar miles de millones de cálculos cada segundo, 1000 veces más rápido que los sistemas más rápidos actuales.

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

Ventajas de la computación óptica:

Las desventajas son:

Hay desacuerdos entre los investigadores cuando se trata de 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 pregunta abierta.

Los críticos argumentan que los sistemas lógicos del mundo real requieren "restauración del nivel lógico, capacidad en cascada, despliegue y aislamiento de entrada-salida", todo lo cual actualmente es proporcionado por transistores electrónicos a bajo costo, baja potencia y alta velocidad. Para que la lógica óptica sea competitiva más allá de las aplicaciones de nicho, se requerirían grandes avances en la tecnología de dispositivos ópticos no lineales, o incluso un cambio en la naturaleza de la computación misma.

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

La computación digital requiere elementos no lineales para procesar datos digitales. Las funcionalidades requeridas de los elementos no lineales son proporcionadas por circuitos de transistores en computación 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 de dispositivo pequeño.

En las comunicaciones digitales, la transferencia de datos por fibra óptica ya es frecuente. La fibra óptica utiliza la luz para la manipulación de datos. Esta es el área en la que la tecnología óptica ha avanzado más: se usa 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 lo largo de las cuales la información se transmite 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 haya notado que estos profesionales se hacen eco de los de la computación 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 que apuntan a superar algunas de las limitaciones actuales de la computación fotónica incluyen:

Una escisión del MIT, Lightelligence 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 solo aportan mejoras exponenciales en la potencia informática, sino que también reducen drásticamente el consumo de energía".

En términos básicos, su investigación utiliza una plataforma de fabricación de silicio utilizada para los chips semiconductores tradicionales, pero de una forma novedosa. En el dominio óptico, los cálculos aritméticos se realizan con la 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 consumo de energía más bajo que los chips que funcionan con electrones.

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

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

Por ejemplo, los vehículos autónomos se basan en cámaras y cálculos de IA para tomar decisiones rápidas. El chip convencional no "piensa" lo suficientemente rápido como para tomar las decisiones necesarias en una fracción de segundo, por lo que se necesita una imagen computacional más rápida para una toma de decisiones rápida. Eso es lo que Lightelligence dice que está logrando usando la fotónica.

No podíamos hablar de cambios radicales en los sistemas computacionales sin tocar la computación cuántica. Debido a las propiedades únicas de la mecánica cuántica, la computación cuántica puede resolver problemas más allá de las capacidades de las computadoras más avanzadas, incluida la fotónica.

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 la cantidad de transistores en un circuito integrado se duplica cada dos años) ha desaparecido: el cálculo 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 loe

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