مهار سرعت نور: «زندگی» مصنوعی قدرت محاسباتی فوتونیک را باز می کند
محققان در حال بررسی محاسبات فوتونیکی به عنوان جایگزینی برای فناوری های مبتنی بر سیلیکون به دلیل مشکلات در ساخت ترانزیستورهای سیلیکونی کوچک هستند.
تلاش بی‌پایان برای کامپیوترهای سریعتر و کوچک‌تر که می‌توانند کارهای بیشتری انجام دهند، سازندگان را به طراحی ترانزیستورهای کوچک‌تر سوق داده است که اکنون ده‌ها میلیارد دلار در تراشه‌های کامپیوتری بسته‌بندی می‌شوند.
و تاکنون این تاکتیک جواب داده است. کامپیوترها هرگز قدرتمندتر از اکنون نبوده اند. اما محدودیت‌هایی وجود دارد: ترانزیستورهای سیلیکونی سنتی تنها به دلیل مشکلات در ساخت دستگاه‌هایی که در برخی موارد تنها چند ده اتم عرض دارند، بسیار کوچک می‌شوند. در پاسخ، محققان شروع به توسعه فناوری‌های محاسباتی مانند رایانه‌های کوانتومی کرده‌اند که به ترانزیستورهای سیلیکونی متکی نیستند.
روش دیگر تحقیق، محاسبات فوتونیک است که از نور به جای الکتریسیته استفاده می کند، مشابه اینکه کابل های فیبر نوری جایگزین سیم های مسی در شبکه های کامپیوتری شده اند. تحقیقات جدید توسط علیرضا مرندی، استادیار مهندسی برق و فیزیک کاربردی از Caltech، از سخت افزار نوری برای تحقق اتوماتای سلولی، نوعی مدل کامپیوتری متشکل از “جهان” (منطقه شبکه ای) حاوی “سلول ها” (هر مربع از شبکه) استفاده می کند. ) که می توانند زندگی کنند، بمیرند، تولید مثل کنند و با رفتارهای منحصر به فرد خود به موجوداتی چند سلولی تبدیل شوند. این خودکارها برای انجام وظایف محاسباتی مورد استفاده قرار گرفته‌اند و به گفته مرندی، برای فناوری‌های فوتونیک مناسب هستند.
مرندی می گوید: «اگر یک فیبر نوری را با یک کابل مسی مقایسه کنید، می توانید اطلاعات را با فیبر نوری بسیار سریعتر انتقال دهید. سوال بزرگ این است که آیا می‌توانیم از ظرفیت اطلاعاتی نور برای محاسبات در مقابل ارتباطات صرف استفاده کنیم؟ برای پرداختن به این سوال، ما به‌ویژه علاقه‌مندیم به معماری‌های سخت‌افزاری محاسباتی غیرمتعارف فکر کنیم که برای فوتونیک مناسب‌تر از الکترونیک دیجیتال هستند.
اتوماتای سلولی
برای درک کامل سخت افزاری که گروه Marandi طراحی کرده است، مهم است که بفهمیم اتومات های سلولی چیست و چگونه کار می کنند. از نظر فنی، آنها مدل‌های محاسباتی هستند، اما این اصطلاح کمک چندانی به درک بیشتر افراد نمی‌کند. مفیدتر است که آنها را به عنوان سلول های شبیه سازی شده در نظر بگیریم که از یک سری قوانین بسیار اساسی پیروی می کنند (هر نوع اتوماتا مجموعه ای از قوانین خاص خود را دارد). از این قوانین ساده می توان رفتارهای بسیار پیچیده ای را پدید آورد. یکی از شناخته شده ترین اتوماتای سلولی، به نام بازی زندگی یا بازی زندگی کانوی، توسط ریاضیدان انگلیسی جان کانوی در سال 1970 ساخته شد. فقط چهار قانون دارد که در شبکه ای از “سلول ها” اعمال می شود که می توانند زنده باشند. یا مرده آن قوانین عبارتند از:
- هر سلول زنده ای که کمتر از دو همسایه زنده داشته باشد، گویی به دلیل کمبود جمعیت می میرد.
- هر سلول زنده ای که بیش از سه همسایه زنده داشته باشد، گویی در اثر ازدحام بیش از حد می میرد.
- هر سلول زنده با دو یا سه همسایه زنده برای نسل بعدی زندگی می کند.
- هر سلول مرده ای با دقیقاً سه همسایه زنده زنده می شود، گویی با تولید مثل.
رایانه ای که بازی زندگی را اجرا می کند، این قوانین را به طور مکرر در دنیایی که سلول ها در یک بازه زمانی منظم زندگی می کنند، اعمال می کند و هر بازه یک نسل در نظر گرفته می شود. در طی چند نسل، این قوانین ساده منجر به سازماندهی سلول‌ها به شکل‌های پیچیده با نام‌های خاطره‌انگیز مانند لوف، کندو، وزغ و سفینه فضایی سنگین می‌شود.
یک “نان” همانطور که در بازی زندگی کانوی ظاهر می شود. اعتبار: Maxgyisawesome/Wikimedia Commons
یک “کندوی عسل” همانطور که در بازی زندگی کانوی ظاهر می شود. اعتبار: Maxgyisawesome/Wikimedia Commons
یک “وزغ” همانطور که در بازی زندگی کانوی ظاهر می شود. اعتبار: Maxgyisawesome/Wikimedia Commons
یک “سفینه فضایی سنگین وزن” همانطور که در بازی زندگی کانوی ظاهر می شود. اعتبار: Maxgyisawesome/Wikimedia Commons
اتومات‌های سلولی اولیه یا «ابتدایی» مانند بازی زندگی برای محققانی که در ریاضیات و تئوری علوم رایانه کار می‌کنند جذاب است، اما آنها می‌توانند کاربردهای عملی نیز داشته باشند. برخی از اتوماتای سلولی ابتدایی را می توان برای تولید اعداد تصادفی، شبیه سازی های فیزیک و رمزنگاری استفاده کرد. برخی دیگر از نظر محاسباتی به اندازه معماری‌های محاسباتی معمولی قدرتمند هستند – حداقل در اصل. به یک معنا، این اتوماتای سلولی وظیفه گرا شبیه به کلونی مورچه ها هستند که در آن اقدامات ساده مورچه ها برای انجام اقدامات جمعی بزرگتر، مانند حفر تونل، ترکیب می شوند.، یا جمع آوری غذا و بردن آن به لانه. اتومات های سلولی پیشرفته تر، که قوانین پیچیده تری دارند (اگرچه هنوز بر اساس سلول های همسایه هستند)، می توانند برای کارهای محاسباتی عملی مانند شناسایی اشیاء در یک تصویر استفاده شوند.
مرندی توضیح می‌دهد: «در حالی که ما شیفته نوع رفتارهای پیچیده‌ای هستیم که می‌توانیم با یک سخت‌افزار نسبتاً ساده فوتونیک شبیه‌سازی کنیم، ما واقعاً در مورد پتانسیل اتوماتای سلولی فوتونی پیشرفته‌تر برای کاربردهای محاسباتی عملی هیجان‌زده هستیم.»
ایده آل برای محاسبات فوتونیک
مرندی می گوید که اتوماتای سلولی به چند دلیل برای محاسبات فوتونیک مناسب هستند. از آنجایی که پردازش اطلاعات در یک سطح بسیار محلی اتفاق می افتد (به یاد داشته باشید در اتوماتای سلولی، سلول ها فقط با همسایگان مستقیم خود تعامل دارند)، نیاز به بسیاری از سخت افزارهایی را که محاسبات فوتونیکی را دشوار می کند، از بین می برند: گیت ها، سوئیچ ها و دستگاه های مختلف. در غیر این صورت برای جابجایی و ذخیره اطلاعات مبتنی بر نور مورد نیاز است. و ماهیت پهنای باند بالای محاسبات فوتونیک به این معنی است که اتوماتای سلولی می‌توانند به طرز باورنکردنی سریع کار کنند. در محاسبات سنتی، اتوماتای سلولی ممکن است در یک زبان کامپیوتری طراحی شود، که بر روی لایه دیگری از زبان ماشینی در زیر آن ساخته شده است، که خود بالای صفرهای باینری و صفرهایی که اطلاعات دیجیتالی را می سازند، قرار دارد.
در مقابل، در دستگاه محاسباتی فوتونیکی مرندی، سلول‌های خودکار سلولی فقط پالس‌های بسیار کوتاه نور هستند که می‌توانند تا سه مرتبه قدر سریعتر از سریع‌ترین رایانه‌های دیجیتالی کار کنند. از آنجایی که این پالس‌های نور در یک شبکه سخت‌افزاری با یکدیگر تعامل دارند، می‌توانند اطلاعات را در حال حرکت بدون کاهش سرعت تمام لایه‌هایی که زیربنای محاسبات سنتی هستند پردازش کنند. در اصل، رایانه‌های سنتی شبیه‌سازی‌های دیجیتالی اتوماتای سلولی را اجرا می‌کنند، اما دستگاه مرندی، اتوماتای سلولی واقعی را اجرا می‌کند.
مرندی می‌گوید: «ماهیت فوق سریع عملیات فوتونیک و امکان تحقق خودکارهای سلولی فوتونیکی روی تراشه می‌تواند منجر به نسل بعدی رایانه‌هایی شود که می‌توانند کارهای مهم را بسیار کارآمدتر از رایانه‌های الکترونیکی دیجیتال انجام دهند.
دیدگاهتان را بنویسید