Компьютеры и свет — как старая игра помогает в создании невероятных вычислительных систем

Непрекращающийся поиск более быстрых и компактных компьютеров, способных на большее, побудил производителей разрабатывать все более миниатюрные транзисторы, которые теперь исчисляются десятками миллиардов в компьютерных чипах. И пока эта тактика работает.

Компьютеры никогда не были более мощными, чем сейчас. Но есть пределы: традиционные кремниевые транзисторы могут быть такими маленькими только из-за чрезвычайно сложного производственного процесса. Последние разработки имеют размер всего в несколько атомов, трудны для воспроизведения и представляют собой придел технологий. В ответ исследователи начали разрабатывать вычислительные технологии, такие как квантовые компьютеры, которые не полагаются на кремниевые транзисторы.

Еще одним направлением исследований являются фотонные вычисления, в которых вместо электричества используется свет, подобно тому, как волоконно-оптические кабели заменили медные провода в компьютерных сетях. В новом исследовании ученых из Калифорнийского технологического института, доцент кафедры электротехники и прикладной физики, использует оптическое оборудование для реализации клеточных автоматов, типа компьютерной модели, состоящей из "мира" (область с координатной сеткой), содержащей "ячейки" (каждый квадрат сетки), которые могут жить, умирать, размножаться и развиваться в многоклеточных существ со своим уникальным поведением. Эти автоматы использовались для выполнения вычислительных задач и, по словам авторов, идеально подходят для фотонных технологий.

Время поиграть

Чтобы полностью понять аппаратное обеспечение, разработанное группой, стоит вспомнить нечто знакомое каждому. С технической точки зрения, это вычислительные модели, но этот термин вам ничег оне скажет. Проще думать о них как о смоделированных ячейках, которые следуют очень простому набору правил (каждый тип автоматов имеет свой собственный набор правил). Вспоминайте школьные уроки и игру, для которой нужен карандаш и листок в клеточку.

Источник: Maxgyisawesome/Wikimedia Commons.

Форма "Космический корабль", которая может появиться в игре "Жизнь".

Один из самых известных клеточных автоматов под названием "Жизнь" или "Игра в жизнь Конвея" был разработан английским математиком Джоном Конвеем в 1970 году. Напомним правила:

• Любая живая клетка с менее чем двумя живыми соседями умирает.
• Любая живая ячейка с более чем тремя живыми соседями умирает.
• Любая живая клетка с двумя-тремя живыми соседями живет до следующего поколения.
• Любая мертвая клетка с ровно тремя живыми соседями оживет, как бы путем размножения.

Компьютер, запускающий игру "Жизнь", неоднократно применяет эти правила к миру, в котором клетки живут через равные промежутки времени, причем каждый интервал считается поколением. В течение нескольких поколений эти простые правила приводят к тому, что клетки организуются в сложные формы с вызывающими воспоминания названиями, такими как каравай, улей, жаба и тяжелый космический корабль.

Базовые, или "элементарные", клеточные автоматы, такие как "жизни", нравятся исследователям, работающим в области математики и теории информатики, но они также могут иметь практическое применение. Некоторые элементарные клеточные автоматы можно использовать для генерации случайных чисел, физического моделирования и криптографии. Другие в вычислительном отношении не уступают традиционным вычислительным архитектурам — по крайней мере, в принципе.

Более "продвинутые" клеточные автоматы, которые имеют более сложные правила (хотя все еще основанные на соседних ячейках), могут использоваться для практических вычислительных задач, таких как идентификация объектов на изображении.

Эта игра генерирует крайне интересные ситуации.

Идеально для фотонных вычислений

Клеточные автоматы хорошо подходят для фотонных вычислений по нескольким причинам. Поскольку обработка информации происходит исключительно на локальном уровне (вспомним, что в клеточных автоматах клетки взаимодействуют только со своими непосредственными соседями), они устраняют необходимость в большей части аппаратного обеспечения, которое затрудняет фотонные вычисления: различных вентилях, переключателях и устройствах, которые в противном случае требуется для перемещения и хранения информации на основе света. А высокая пропускная способность фотонных вычислений означает, что клеточные автоматы могут работать невероятно быстро. В традиционных вычислениях клеточные автоматы могут быть разработаны на языке программирования, построенном на другом слое "машинного" языка, расположенного ниже этого уровня, который сам находится поверх двоичных нулей и единиц, составляющих цифровую информацию.

Напротив, в фотонном вычислительном устройстве клетки клеточного автомата представляют собой всего лишь ультракороткие импульсы света, которые могут работать на три порядка быстрее, чем самые быстрые цифровые компьютеры. Поскольку эти импульсы света взаимодействуют друг с другом в аппаратной сетке, они могут обрабатывать информацию на ходу, не замедляясь всеми уровнями, лежащими в основе традиционных вычислений. По сути, традиционные компьютеры запускают цифровую симуляцию клеточных автоматов, а устройство разрабатываемое учеными запускает настоящие клеточные автоматы.

Статья с описанием работы уже была опубликована в рецензируемом журнале Light: Science & Applications и остается ждать первых прототипов систем, которые будут продемонстрированы публике.