Integreeritud fotoonika tõus: kuidas valgus muudab andmetöötluse nägu?

Optiline andmetöötlus on revolutsiooniline tehnoloogia, mis võib muuta seda, kuidas me arvutustööst mõtleme. Erinevalt traditsioonilistest arvutitest, mis kasutavad arvutuste tegemiseks elektrilisi signaale, kasutab optiline andmetöötlus valgust. See võimaldab andmetöötlust palju suurema sagedusega, võimaldades teha suuri ja keerulisi arvutusi uskumatult suure kiirusega.

Üks optilise andmetöötluse põhitehnoloogiaid on fotooniline andmetöötlus, mis kasutab elektronide asemel arvutuste tegemiseks footoneid. See võimaldab arvutamisel tõhusamalt ja sünteetilisemalt läheneda, kuna footoneid saab hõlpsasti manipuleerida ja juhtida mitmesuguste ülesannete täitmiseks.

Teine võtmetehnoloogia optilise andmetöötluse valdkonnas on integreeritud fotoonika. See viitab fotooniliste komponentide integreerimisele ühte kompaktsesse seadmesse, mis võimaldab arvutamisel tõhusamat ja skaleeritavamat lähenemist.

Üldiselt võib nende tehnoloogiate kasutamine muuta meie suhtumist arvutus- ja andmetöötlusesse. Optilise andmetöötlusega saame lahendada probleeme, mis praegu isegi kõige arenenumatele arvutitele üle jõu käivad, ja teha seda kiirustel, mis tänapäeva tehnoloogiate juures on kujuteldamatu.

Teadlased on avastanud viisi, kuidas käivitada valguspõhiseid loogikaväravaid, mis on miljon korda kiiremad kui traditsioonilistes arvutiprotsessorites leiduvad tavalised elektroonilised loogikaväravad. Neid loogikaväravaid, mis koosnevad Boole'i ​​funktsioonidest ja käitavad binaarrutiine, käitatakse tavaliselt elektrooniliselt. Uus meetod kasutab aga samade funktsioonide täitmiseks valgust, mis toob kaasa oluliselt kiirema töötlemiskiiruse.

See leiti AALTO ülikoolis läbi viidud uuringus ja avaldati ajakirjas Science Advances.

Mis on optiline andmetöötlus?

Optiline arvuti, tuntud ka kui fotoonarvuti, on seade, mis teostab digitaalseid arvutusi, kasutades fotoneid nähtavas valguses või infrapuna (IR) kiirtes, mitte elektrivoolus. Elektrivoolu kiirus on vaid 10% valguse kiirusest. Üheks põhjuseks, mis viis optilise kiu väljatöötamiseni, oli andmete pika vahemaa tagant edastamise kiiruse piiramine. Arvuti, mis suudab protsesse teha kümme või enam korda kiiremini kui traditsiooniline elektrooniline arvuti, võidakse ühel päeval luua, rakendades seadme ja komponendi suuruses mõningaid nähtavate ja/või infrapunavõrkude eeliseid.

Erinevalt elektrivooludest voolavad nähtavad ja infrapunakiired üksteisest üle ilma vastastikmõjuta. Isegi kui need on piiratud sisuliselt kahemõõtmelisega, saab paljusid (või paljusid) laserkiire valgustada nii, et nende teed ristuvad, kuid kiirte vahel ei esine häireid. Kolmemõõtmeline juhtmestik on oluline, kuna elektrivoolud peavad olema suunatud üksteise ümber. Tänu sellele võib optiline arvuti olla ka väiksem, lisaks oluliselt kiirem kui elektrooniline.

Kuigi mõned insenerid ennustavad optilise andmetöötluse levikut tulevikus, nõustub enamik eksperte, et muutused toimuvad teatud niššides järk-järgult. On välja töötatud ja toodetud mõned optilised integraallülitused. (Optilisi lülitusi on kasutatud vähemalt ühe täisfunktsionaalse, ehkki mõnevõrra suure arvuti ehitamisel.) Kujutise jagamisel voksliteks saab kolmemõõtmelist täisliikuvat videot edastada kiudude võrgu kaudu. Kuigi mõnede optiliste seadmete juhtimiseks kasutatavad andmeimpulsid on nähtav valgus või infrapunalained, võivad elektroonilised voolud neid siiski juhtida.

Digitaalne side, kus fiiberoptiline andmeedastus on juba levinud, on see, kus optiline tehnoloogia on kõige enam arenenud. Lõppeesmärk on nn fotooniline võrk, kus iga allikas ja sihtkoht on ühendatud ainult nähtavate ja infrapuna footonitega. Laserprinterid, koopiamasinad, skannerid ja CD-ROM-draivid ning nende sugulased kasutavad optilist tehnoloogiat. Kõik need seadmed aga toetuvad teatud määral tavalistele elektroonilistele vooluringidele ja osadele; ükski neist pole täiesti optiline.

Kuidas optiline andmetöötlus töötab?

Optiline andmetöötlus sarnaneb traditsioonilise andmetöötlusega, kuna see kasutab arvutuste tegemiseks loogilisi väravaid ja binaarrutiine. Kuid see erineb nende arvutuste tegemise viisist. Optilises andmetöötluses genereerivad footonid LED-id, laserid ja muud seadmed ning neid kasutatakse andmete kodeerimiseks sarnaselt elektronidega traditsioonilises andmetöötluses. See võimaldab palju kiiremini ja tõhusamalt arvutada, kuna footoneid saab hõlpsasti manipuleerida ja juhtida mitmesuguste ülesannete täitmiseks.

---

IIoT ja servade andmetöötlus on paljudes tööstusharudes üha populaarsemaks muutumas

---

Optilise arvuti arendamise lõppeesmärgiga on uuringud, mis keskenduvad optiliste transistoride projekteerimisele ja rakendamisele. Valguskiire saab tõhusalt blokeerida polariseeriva ekraaniga, mis pöörleb 90 kraadi. Optiliste transistoride loomiseks kasutatakse ka dielektrilisi komponente, mis on võimelised töötama polarisaatoritena. Vaatamata mõningatele tehnilistele raskustele on optilised loogikaväravad põhimõtteliselt võimalikud. Need koosneksid ühest juhtseadmest ja paljudest kiirtest, mis annaksid õiged loogilised tulemused.

Traditsiooniliste elektrooniliste arvutite üks peamisi eeliseid on see, et elektronide liikumise suunamiseks ja juhtimiseks saab kasutada ränikanaleid ja vasktraate. See võimaldab teha tõhusaid ja usaldusväärseid arvutusi.

Optilises andmetöötluses saab sarnase efekti saavutada plasmoonsete nanoosakeste abil. Need osakesed võivad suunata ja kontrollida footonite liikumist, võimaldades neil pöörata kurvi ja jätkata oma teed ilma olulise võimsuse kadumise või elektronideks muutumiseta. See võimaldab luua kompaktseid ja tõhusaid optilisi arvutusseadmeid.

Enamik optilise kiibi osi on sarnased traditsioonilise arvutikiibiga, kusjuures teabe töötlemiseks ja teisendamiseks kasutatakse elektrone. Oluliselt on muudetud aga ühendusi, mida kasutatakse teabe edastamiseks kiibi erinevate piirkondade vahel.

Optilises andmetöötluses kasutatakse teabe edastamiseks elektronide asemel valgust. Selle põhjuseks on asjaolu, et valgust saab hõlpsasti ohjeldada ja selle eeliseks on väiksem teabekadu reisimise ajal. See on eriti kasulik olukordades, kus ühendused võivad kuumeneda, mis võib aeglustada elektronide liikumist. Kasutades info edastamiseks valgust, on võimalik luua kiiremaid ja tõhusamaid optilisi arvutusseadmeid.

Teadlased loodavad, et valguse kasutamine teabe edastamiseks optilises andmetöötluses toob kaasa eksamõõtmeliste arvutite väljatöötamise. Exascale arvutid on võimelised sooritama miljardeid arvutusi igas sekundis, mis on 1000 korda kiirem kui praegused kiireimad süsteemid. Kasutades sideks valgust, on võimalik saavutada selline töötlemiskiiruse tase, mille tulemuseks on võimsamad ja tõhusamad arvutusseadmed.

Optilise andmetöötluse eelised ja puudused

Optilise andmetöötluse eelised on järgmised:

• Kiire tihedus, väiksus, minimaalne ristmiku kuumutamine, suur kiirus, dünaamiline skaleerimine ja ümberkonfigureeritavus väiksemateks/suuremateks võrkudeks/topoloogiateks, tohutu paralleelse andmetöötluse võimalus ja AI-rakendused on vaid mõned optiliste arvutite peamistest eelistest.
• Optilistel ühendustel on lisaks kiirusele mitmeid eeliseid. Nad ei ole altid elektrilistele lühistele ja on immuunsed elektromagnetiliste häirete suhtes.
• Need pakuvad väikese kadudega edastamist ja palju ribalaiust, võimaldades mitmel kanalil samaaegselt suhelda.
• Andmetöötlus optilistel komponentidel on odavam ja lihtsam kui elektrooniliste komponentide andmetöötlus.
• Footonid ei interakteeru üksteisega nii kiiresti kui elektronid, kuna nad ei ole laetud. See annab täiendava eelise, kuna täisdupleksfunktsioon võimaldab valguskiirtel üksteisest üle minna.
• Võrreldes magnetiliste materjalidega on optilised materjalid paremini ligipääsetavad ja suurema säilitustihedusega.

Optilise andmetöötluse puudused on järgmised:

• Fotooniliste kristallide väljatöötamine on keeruline.
• Mitme signaali vastastikmõju tõttu on arvutamine keeruline protsess.
• Praegused optiliste arvutite prototüübid on üsna mahukad. 

Optiline andmetöötlus vs kvantarvutus

Optiline andmetöötlus ja kvantarvutus on kaks erinevat tehnoloogiat, millel on potentsiaal muuta meie suhtumist arvutus- ja andmetöötlusesse.

Optiline andmetöötlus kasutab arvutuste tegemiseks ja andmetöötlusülesannete tegemiseks valgust, kvantarvutuses aga kvantmehaanika põhimõtteid arvutuste tegemiseks.

---

Qudit-arvutid avavad binaarsüsteemi ületades lõputuid võimalusi

---

Üks peamisi erinevusi kahe tehnoloogia vahel on kiirus, millega nad on võimelised arvutusi tegema. Optiline andmetöötlus suudab töötada palju suurematel kiirustel kui traditsiooniline elektrooniline andmetöötlus ning mõnel juhul on see ka kiirem kui kvantarvutus. See on tingitud asjaolust, et footoneid, optilises andmetöötluses kasutatavaid valgusosakesi saab hõlpsasti manipuleerida ja juhtida mitmesuguste ülesannete täitmiseks.

Teisest küljest võib kvantarvutusel lahendada teatud probleeme, mis praegu isegi kõige arenenumatele arvutitele üle jõu käivad. Selle põhjuseks on kvantmehaanika ainulaadsed omadused, mis võimaldavad luua väga keerulisi ja põimunud olekuid, mida saab kasutada arvutuste tegemiseks.

Üldiselt võivad nii optiline andmetöötlus kui ka kvantarvutus anda arvutus- ja andmetöötluse valdkonda revolutsiooniliselt. Kuigi neil on erinevad tugevused ja piirangud, pakuvad mõlemad tehnoloogiad uusi põnevaid võimalusi keeruliste probleemide lahendamiseks ja maailma mõistmise edendamiseks.

Optilise andmetöötluse ettevõtted

Kui soovite rohkem teada saada, oleme koostanud kõige põhjalikuma nimekirja parimatest kvantarvutusettevõtetest!

Xanadu Quantum Technologies

Kanada tehnoloogiaäri Xanadu Quantum Technologies on fotoonilise kvantarvuti riistvara peamine tarnija.

2016. aastal tegevjuhi Christian Weedbrooki loodud ettevõtte Xanadu eesmärk on luua kvantarvuteid, mis on kõigile kättesaadavad ja kasulikud. Ettevõte on selle eesmärgi saavutamiseks võtnud kasutusele täieliku strateegia ning arendab riist- ja tarkvara ning teeb valitud partneritega tipptasemel teadusuuringuid.

Strawberry Fieldsi rakenduste teegi ja Xanadu Quantum Cloud (XQC) teenuse abil saavad ettevõtted ja akadeemikud nüüd hakata kasutama Xanadu fotoonikvantarvuteid.

PennyLane'i, avatud lähtekoodiga projekti loomise kaudu, millest on saanud kvantuurijate ja -arendajate seas peamine tarkvarakogu, arendab ettevõte ka kvantmasinaõppe (QML) valdkonda.

PsiQuantum

Eesmärk PsiQuantum, rühm kvantfüüsikuid, pooljuhtide, süsteemi- ja tarkvarainsenere, süsteemiarhitekte ja teisi on luua esimene kasulik kvantarvuti, kasutades fotoonilist lähenemist, sest nende arvates pakub see tehnilist kasu vigade parandamiseks vajalikus ulatuses. Nad äratasid meedia tähelepanu, keskendudes 1 miljoni kubitile kvantarvutile.

PsiQuantumi asutasid 2015. aastal Jeremy O'Brien, Terry Rudolph, Pete Shadbolt ja Mark Thompson ning selle peakorter asub Silicon Valleys, tehnoloogilise innovatsiooni epitsentris.

ORCA andmetöötlus

Tuginedes Oxfordi ülikooli professor Ian Walmsley ülikiire ja mittelineaarse kvantoptika rühma uuringutele, ORCA asutasid Londonis kogenud teadlased ja ärimehed. Ian Walmsley, Josh Nunn ja Kris Kaczmarek mõistsid rühmas, et "lühiajalised" kvantmälud võivad sünkroonida fotoonilised tegevused ja muuta kvantarvutused tõeliselt skaleeritavaks.

Kasutades ORCA kvantmälu selle koondamisprobleemi lahendamiseks, avab ORCA kvantfotoonika potentsiaali ilma konkureerivate meetodite raskete kompromissideta.

ORCA asutasid 2019. aastal Ian Walmsley, Richard Murray, Josh Nunn ja Cristina Escoda ning see asub Londonis.

Quandela

Uus firma kutsus Quandela on pühendatud funktsionaalsete seadmete loomisele fotoonika, kvantarvutite ja kvantinformatsiooni uurimiseks.

See loob iseloomulikud tahkis-kvantvalgusallikad. Nende allikate abil töötatakse välja uue põlvkonna kvantarvutid, mis põhinevad valguse manipuleerimisel.

2017. aastal lõid Valerian Giesz, Pascale Senellart ja Niccolo Somaschi selle fotoonikafirma Pariisis.

TundraSystems Global

asutas Brian Antao TundraSystems Global Walesis Cardiffis, et luua algusest peale arvukalt arendusi erinevatest akadeemilistest allikatest, nagu Bristoli ülikool, MIT, UK Quantum Technology Hubs jne, arvutuslahendustes täielikult optilises režiimis, kasutades põhilist alust. kvantmehaanikast.

Organisatsiooni lõppeesmärk on luua ja levitada uuenduslikke kvanttehnoloogia lahendusi. Tundra Quantum Photonics Technology raamatukogu loomine on arendusprotsessi esimene samm. See on Tundra Systemi strateegia element, kuna see töötab TundraProcessori, täisfunktsionaalse kvantfotoonika mikroprotsessori loomisel. Selle raamatukogu abil saab ehitada TundraProcessori ümbritseva tervikliku HPC-süsteemi, mis peaks hõlbustama ka fotooniliste integraallülituste ökosüsteemi arengut.

Järeldus

Kokkuvõttes näeme põnevaid arenguid laserite ja valguse kasutamisel andmetöötluses. Kuna optiline tehnoloogia areneb jätkuvalt, võime eeldada, et seda kasutatakse paljudes rakendustes, alates paralleeltöötlus- ja salvestuspiirkonna võrkudest kuni optiliste andmevõrkude ja biomeetriliste salvestusseadmeteni.

Tänapäeva arvutite protsessorid sisaldavad nüüd valgusdetektoreid ja pisikesi lasereid, mis hõlbustavad andmeedastust läbi optiliste kiudude. Mõned ettevõtted arendavad isegi optilisi protsessoreid, mis kasutavad arvutuste tegemiseks optilisi lüliteid ja laservalgust. Intel, selle tehnoloogia üks juhtivaid pooldajaid, loob integreeritud ränifotoonilise lingi, mis suudab edastada 50 gigabaiti sekundis katkematult teavet.

---

Uus neuroarvutusmudel võib edendada neuraalse tehisintellekti uuringuid

---

Tulevased arvutid võivad tulla ilma ekraanideta, kus teave esitatakse klaviatuuri kohal õhus olevate hologrammide kaudu. See tehnoloogia on võimalik tänu teadlaste ja tööstusekspertide koostööle. Lisaks ennustatakse, et optilise tehnoloogia praktiline kasutamine optilise võrgu kujul kasvab iga aastaga.

Tänu oma potentsiaalile kiireks ja tõhusaks arvutamiseks on optiline tehnoloogia valmis muutma revolutsiooni viisi, kuidas me arvutamisest ja andmetöötlusest mõtleme.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://dataconomy.com/2022/12/optical-computing-photonic/