Photonische Rechenleistung mit künstlichem „Leben“ freisetzen

7. Juni 2023

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von Emily Velasco, California Institute of Technology

Die nie endende Suche nach schnelleren, kleineren Computern, die mehr leisten können, hat Hersteller dazu veranlasst, immer kleinere Transistoren zu entwickeln, die heute zu Dutzenden von Milliarden in Computerchips gepackt sind.

Und bis jetzt hat diese Taktik funktioniert. Computer waren noch nie so leistungsfähig wie heute. Aber es gibt Grenzen: Herkömmliche Siliziumtransistoren können aufgrund der Schwierigkeiten bei der Herstellung von Bauteilen, die in manchen Fällen nur ein paar Dutzend Atome breit sind, nur so klein werden. Als Reaktion darauf haben Forscher begonnen, Computertechnologien wie Quantencomputer zu entwickeln, die nicht auf Siliziumtransistoren basieren.

Ein weiterer Forschungszweig ist das photonische Rechnen, bei dem Licht anstelle von Elektrizität verwendet wird, ähnlich wie Glasfaserkabel Kupferdrähte in Computernetzwerken ersetzt haben. Eine neue Forschung von Alireza Marandi vom Caltech, Assistenzprofessorin für Elektrotechnik und angewandte Physik, nutzt optische Hardware, um zelluläre Automaten zu realisieren, eine Art Computermodell, das aus einer „Welt“ (einem gerasterten Bereich) besteht, die „Zellen“ (jedes Quadrat des Gitters) enthält ), die leben, sterben, sich vermehren und sich zu mehrzelligen Lebewesen mit eigenem, einzigartigem Verhalten entwickeln können. Diese Automaten werden zur Durchführung von Rechenaufgaben eingesetzt und sind laut Marandi ideal für photonische Technologien geeignet.

Der die Arbeit beschreibende Artikel mit dem Titel „Photonic Elementary Cellular Automata for Simulation of Complex Phenomena“ erscheint in der Ausgabe der Zeitschrift Light: Science & Applications vom 30. Mai.

„Wenn man eine Glasfaser mit einem Kupferkabel vergleicht, kann man mit einer Glasfaser viel schneller Informationen übertragen“, sagt Marandi. „Die große Frage ist, können wir die Informationskapazität des Lichts für Computer statt nur für Kommunikation nutzen? Um diese Frage zu beantworten, sind wir besonders daran interessiert, über unkonventionelle Computer-Hardwarearchitekturen nachzudenken, die besser für die Photonik geeignet sind als für digitale Elektronik.“

Um die von Marandis Gruppe entwickelte Hardware vollständig zu verstehen, ist es wichtig zu verstehen, was zellulare Automaten sind und wie sie funktionieren. Technisch gesehen handelt es sich um Rechenmodelle, aber dieser Begriff hilft den meisten Menschen kaum, sie zu verstehen. Es ist hilfreicher, sie sich als simulierte Zellen vorzustellen, die einem sehr grundlegenden Regelwerk folgen (jeder Automatentyp hat sein eigenes Regelwerk). Aus diesen einfachen Regeln können unglaublich komplexe Verhaltensweisen entstehen. Einer der bekanntesten zellulären Automaten, „The Game of Life“ oder „Conways Game of Life“ genannt, wurde 1970 vom englischen Mathematiker John Conway entwickelt. Er hat nur vier Regeln, die auf ein Gitter aus „Zellen“ angewendet werden, die entweder lebendig sein können oder tot. Diese Regeln sind:

Einfache oder „elementare“ zelluläre Automaten wie „The Game of Life“ sind für Forscher interessant, die in Mathematik und Informatiktheorie arbeiten, können aber auch praktische Anwendungen haben. Einige der elementaren zellulären Automaten können für die Erzeugung von Zufallszahlen, physikalische Simulationen und Kryptographie verwendet werden. Andere sind rechentechnisch genauso leistungsstark wie herkömmliche Computerarchitekturen – zumindest im Prinzip. In gewisser Weise ähneln diese aufgabenorientierten zellulären Automaten einer Ameisenkolonie, in der die einfachen Aktionen einzelner Ameisen zu größeren kollektiven Aktionen kombiniert werden, wie zum Beispiel dem Graben von Tunneln oder dem Sammeln von Nahrung und dem Zurückbringen ins Nest. „Fortgeschrittenere“ zelluläre Automaten, die kompliziertere Regeln haben (obwohl sie immer noch auf benachbarten Zellen basieren), können für praktische Rechenaufgaben wie die Identifizierung von Objekten in einem Bild verwendet werden.

Ein Computer, der das Spiel des Lebens ausführt, wendet diese Regeln in regelmäßigen Abständen wiederholt auf die Welt an, in der die Zellen leben, wobei jeder Zeitraum als Generation betrachtet wird. Innerhalb weniger Generationen führen diese einfachen Regeln dazu, dass sich die Zellen in komplexe Formen mit eindrucksvollen Namen wie Laib, Bienenstock, Kröte und schweres Raumschiff organisieren.

Marandi erklärt: „Während wir von der Art komplexer Verhaltensweisen fasziniert sind, die wir mit einer relativ einfachen photonischen Hardware simulieren können, sind wir wirklich begeistert vom Potenzial fortschrittlicherer photonischer zellulärer Automaten für praktische Computeranwendungen.“

Laut Marandi eignen sich zelluläre Automaten aus mehreren Gründen gut für photonisches Computing. Da die Informationsverarbeitung auf äußerst lokaler Ebene erfolgt (denken Sie daran, dass Zellen in zellulären Automaten nur mit ihren unmittelbaren Nachbarn interagieren), entfällt der Bedarf an einem Großteil der Hardware, die das photonische Computing erschwert: die verschiedenen Tore, Schalter und Geräte, die es gibt andernfalls zum Bewegen und Speichern lichtbasierter Informationen erforderlich. Und die hohe Bandbreite des photonischen Computing bedeutet, dass zellulare Automaten unglaublich schnell laufen können. Beim traditionellen Rechnen könnten zellulare Automaten in einer Computersprache entworfen werden, die auf einer weiteren Ebene der „Maschinen“-Sprache darunter aufbaut, die ihrerseits auf den binären Nullen und Einsen sitzt, aus denen digitale Informationen bestehen.

Im Gegensatz dazu bestehen die Zellen des zellularen Automaten in Marandis photonischem Rechengerät lediglich aus ultrakurzen Lichtimpulsen, die einen um bis zu drei Größenordnungen schnelleren Betrieb ermöglichen als die schnellsten digitalen Computer. Da diese Lichtimpulse in einem Hardware-Gitter miteinander interagieren, können sie unterwegs Informationen verarbeiten, ohne durch alle Schichten, die der herkömmlichen Datenverarbeitung zugrunde liegen, ausgebremst zu werden. Im Wesentlichen führen herkömmliche Computer digitale Simulationen zellularer Automaten aus, aber Marandis Gerät führt tatsächliche zellulare Automaten aus.

„Die ultraschnelle Natur photonischer Operationen und die Möglichkeit der On-Chip-Realisierung photonischer zellulärer Automaten könnten zu Computern der nächsten Generation führen, die wichtige Aufgaben viel effizienter ausführen können als digitale elektronische Computer“, sagt Marandi.

Mehr Informationen: Gordon HY Li et al, Photonische elementare zelluläre Automaten zur Simulation komplexer Phänomene, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01180-9