Quando il pioniere informatico tedesco Konrad Zuse costruì il primo computer programmabile al mondo nella Berlino in tempo di guerra, esso eseguiva calcoli in virgola mobile a una velocità di clock compresa tra 5 e 10 Hz. La macchina fu considerata non necessaria per lo sforzo bellico tedesco e non venne mai utilizzata per calcoli quotidiani. Nel 1943, fu distrutta durante un raid aereo alleato. Tuttavia, la Z3, come venne chiamata, conferì a Zuse una forte pretesa di essere l’inventore del computer moderno. Dopo la guerra, la velocità di clock dei computer aumentò esponenzialmente, in linea con la Legge di Moore. Ogni aumento portava nuove applicazioni che andavano dai sistemi di guida ai display dei computer, fino alla grafica ad alta risoluzione e oltre. Nel 2005, i chip dei computer funzionavano un miliardo di volte più velocemente della Z3, nella regione dei 5 GHz. Ma poi il progresso si arrestò. Oggi, i chip all’avanguardia operano ancora intorno ai 5 GHz, un limite che ha significativamente ristretto i progressi nei campi che richiedono l’elaborazione ultrarapida dei dati.
Elaborazione Ultrarapida
Ora sembra che questo stia per cambiare grazie al lavoro di Gordon Li e Midya Parto presso il California Institute of Technology a Pasadena, e colleghi, che hanno progettato e testato un computer completamente ottico capace di velocità di clock superiori ai 100 GHz. “Il computer completamente ottico realizza operazioni lineari, funzioni non lineari e memoria interamente nel dominio ottico con velocità di clock superiori ai 100 GHz,” affermano. Il loro lavoro apre la strada a una nuova era di calcolo ultrarapido con applicazioni in campi che vanno dall’elaborazione del segnale al riconoscimento dei modelli e oltre.
La velocità di clock di un chip coordina le operazioni sequenziali attraverso il dispositivo e governa in ultima analisi la velocità con cui un computer può eseguire le istruzioni. Storicamente, l’aumento della velocità di clock si traduceva direttamente in un calcolo più veloce. Ma all’inizio del millennio, i produttori di chip iniziarono a rendersi conto che questo aumento non poteva continuare. La stagnazione era dovuta a due fattori principali. Primo, il crollo della scalabilità di Dennard, che postulava che man mano che i transistor si riducono, la densità di potenza rimane costante. Questo aveva permesso ai chip di diventare più veloci senza aumentare il consumo di energia. Ma questa scalabilità si ruppe perché i transistor più veloci e più piccoli permettevano a più corrente di fuoriuscire, causando un aumento del consumo di energia. Questo costrinse i produttori di chip a mantenere costante la velocità di clock.
Il secondo problema era il cosiddetto collo di bottiglia di von Neumann, che è un limite alla velocità con cui i dati possono viaggiare tra la memoria e il processore. Questo collo di bottiglia impediva di sfruttare velocità di clock più elevate e costringeva i progettisti di chip a muoversi verso design paralleli come i processori multi-core comuni oggi. Tuttavia, con velocità di clock stagnanti, i chip non sono stati in grado di rispondere alle esigenze delle applicazioni che richiedono elaborazione in tempo reale a scale temporali di picosecondi o più veloci. “Questo pone un problema intrattabile per le applicazioni che richiedono elaborazione in tempo reale o controllo di sistemi di informazione ultrarapidi,” affermano Li, Parto e colleghi.
Il nuovo design è una semplice versione completamente ottica di un tipo di circuito noto come rete neurale ricorrente. Questo consiste in uno strato di input che riceve un segnale, una cavità ottica che agisce come un secondo strato contenente loop di feedback (o loop ricorrenti) che possono essere regolati per cambiare il comportamento del dispositivo e uno strato di output che produce il risultato di questo calcolo. La cavità ottica funge anche da memoria poiché il segnale viene ricircolato tramite i loop ricorrenti. La bellezza del design completamente ottico è che la velocità di calcolo è determinata dalla velocità della luce e dalla frequenza degli impulsi ottici. “La velocità di clock effettiva è equivalente alla frequenza di ripetizione degli impulsi laser,” affermano. “Usiamo il concetto di periodo di clock per indicare il tempo minimo tra operazioni successive del computer.”
I ricercatori utilizzano il loro dispositivo per dimostrare una serie di compiti standard per una rete neurale, come classificare la forma delle forme d’onda ottiche, prevedere il valore successivo in una serie temporale dati i valori precedenti e generare immagini tramite diffusione. Ma la svolta chiave è la capacità di eseguire questi compiti a velocità fino a 100 GHz.
Decisioni in una Frazione di Secondo
Il team afferma che il loro approccio ha numerose applicazioni. “Crediamo che le applicazioni più utili a breve termine per questo tipo di computer ottico ultrarapido saranno quelle in cui il segnale di input si verifica nativamente nel dominio ottico, bypassando così la necessità di generazione del segnale di input elettro-ottico,” affermano. Esempi includono imaging ultrarapido, elaborazione del segnale ottico per telecomunicazioni ad alta velocità, misurazione di precisione utilizzando laser a femtosecondi e trading ad alta velocità. Oltre a ciò, l’IA generativa potrebbe sfruttare questi sistemi per creare simulazioni ad alta fedeltà o eseguire inferenze ultrarapide in scenari che richiedono decisioni in una frazione di secondo, come i veicoli autonomi. E il team afferma che il loro processore potrebbe essere reso ancora più veloce. L’attuale configurazione sperimentale si basa su componenti ottici ingombranti, che non sono ancora adatti per l’integrazione su larga scala. La transizione a implementazioni su scala chip utilizzando materiali come il niobato di litio a film sottile potrebbe consentire sistemi compatti e scalabili.
“I nostri risultati evidenziano il potenziale del calcolo completamente ottico oltre ciò che può essere raggiunto con l’elettronica digitale,” affermano Li, Parto e colleghi. “Questo lavoro evidenzia un nuovo regime per il calcolo ottico ultrarapido, abilitando applicazioni nascenti che richiedono elaborazione delle informazioni in tempo reale e controllo del feedback a scale temporali di picosecondi.” Zuse ne sarebbe sicuramente impressionato!