Новейшие разработки приближают эру вычислительных машин на основе света, по мнению исследователей

Новости МирТесен

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 научной работы ученые подчеркивают фундаментальный недостаток всей современной электроники, обусловленный самой организацией ее структуры. Более семидесяти лет практически все компьютеры создаются на основе архитектуры фон Неймана. Это означает совместное хранение инструкций и данных в памяти, представленных в едином формате с различием лишь в способе доступа к ним. Данный подход имеет множество неоспоримых преимуществ, но также содержит один значительный минус.

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.

Однако существует альтернативный подход, принципиально отличный от существующих решений. В ходе исследования ученые рассмотрели перспективное направление – фотонные компьютеры, где роль носителей информации выполняют не электроны, а световые частицы (фотоны). Специалисты полагают, что такие системы обладают потенциалом стать заменой современной электронике. Для этого потребуется полный переход к иной архитектуре и обращение к принципам организации природы, в частности – человеческого мозга.

В рамках исследования была предложена нейроморфная структура фотонного процессора, которая интегрируется с традиционными электронными схемами, но внутри такого чипа находятся оптические логические элементы и ячейки памяти. Они функционируют по аналогии с биологическими нейронами, одновременно храня информацию и осуществляя ее обработку. Такой метод не только открывает новые возможности для развития вычислительных систем, но также позволяет реализовать на аппаратном уровне искусственную нервную сеть – следующий значительный шаг в развитии вычислений. Впечатляющие результаты работы алгоритмов нейронных сетей на современных компьютерах позволяют предположить, что произойдет, если убрать неэффективность архитектуры фон Неймана из их функционирования.

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.