Информационные технологии стали неотъемлемой частью современной цивилизации, и потребность в более мощных компьютерах постоянно растет. Кажется, что прогресс неуклонно движется вперед, и производительность электроники увеличивается. Однако международная группа ученых считает, что это лишь иллюзия: микроэлектроника сталкивается с ограничениями. Они видят решение в фотонных компьютерах и провели анализ, чтобы оценить достижения человечества в их разработке.
Новое исследование было проведено специалистами из Королевского университета в Кингстоне ( Queen’s University, Канада), Принстонского университета (Princeton University, США), Вестфальского университета имени Вильгельма (University of Münster, Германия), Оксфордского университета (University of Oxford, Англия) и Университета Эксетера (University of Exeter, Англия). Результаты работы они опубликовали в рецензируемом журнале Nature Photonics.
В начале статьи исследователи указывают на фундаментальный недостаток, присущий всей современной электронике и вытекающий из ее архитектурных основ. Компьютеры, за редчайшими исключениями, уже более семидесяти лет создаются по принципам архитектуры фон Неймана. Это означает, что инструкции для обработки информации и сама информация хранятся в памяти совместно, представленные в одинаковом формате и различающиеся лишь способом доступа. Несмотря на многочисленные проверенные временем преимущества такого подхода, он имеет и один значительный недостаток.
Операции доступа к памяти выполняются медленнее, чем операции по обработке данных и вычислениям. Это связано с особенностями архитектуры и физическими ограничениями, поскольку одновременный доступ ко всем ячейкам памяти невозможен. Данная проблема известна как «узкое место архитектуры фон Неймана» или «фон-Неймановское бутылочное горлышко» ( von Neumann bottleneck).
На протяжении всей истории развития компьютеров инженеры стремились уменьшить влияние этого недостатка. В процессорах появился кэш, который со временем стал многоуровневым и организован по-разному для различных блоков и типов данных. Несмотря на то, что внутренняя память процессора значительно быстрее оперативной, а оперативная память, в свою очередь, на порядок быстрее постоянных накопителей, это лишь отсрочило кризис, но не устранило проблему. К тому же, излишне сложные механизмы работы с кэшем создали дополнительные трудности для разработчиков и экспертов в области кибербезопасности — достаточно вспомнить аппаратные уязвимости вроде Spectre и Meltdown.
Существует альтернативный подход, принципиально отличающийся от современных решений. В ходе исследования ученые рассмотрели перспективное направление – фотонные компьютеры. В них функцию носителей информации выполняют фотоны, а не электроны. Эксперты полагают, что подобные системы могут стать следующим этапом в развитии электроники. Однако для этого потребуется отказаться от архитектуры фон Неймана и перенять принципы, характерные для природы, а именно — для человеческого мозга.
Исследователи разработали нейроморфную архитектуру фотонного процессора. Эта архитектура интегрируется в существующие электронные схемы, однако в основе чипа лежат оптические вентили и запоминающие элементы. Они функционируют по принципу нейронов, одновременно храня и обрабатывая информацию. Такой подход не только открывает новые возможности для развития, но и позволяет реализовать нейронную сеть непосредственно на аппаратном уровне. Это станет следующим шагом в эволюции вычислительных систем. Впечатляющие результаты, демонстрируемые нейросетевыми алгоритмами на традиционных компьютерах, говорят сами за себя. Сложно даже предположить, какие возможности откроются после устранения неэффективной фон-Неймановской логики.
Поскольку данная публикация не является вымышленной, авторы приложили усилия для обоснования своих выводов. В частности, они выделили технологии, требующие доработки или разработки с нуля для обеспечения эффективной работы подобного компьютера. В статье, однако, не представлено никаких прогнозов относительно сроков появления таких процессоров.