Фотонный компьютер на основе клеточных автоматов: новый взгляд на вычисления

Компьютеры становятся всё мощнее и меньше, но кремниевые технологии подходят к своему пределу. Транзисторы, и так упакованные в компьютерные чипы в количестве десятков миллиардов, в скором времени больше не смогут быть уменьшены ещё сильнее из-за трудностей изготовления. Поэтому учёные активно ищут альтернативные способы вычислений, которые не зависят от кремниевых транзисторов.

Один из таких способов — фотонное вычисление, которое использует свет вместо электричества, подобно тому, как оптоволоконные кабели заменили медные провода в компьютерных сетях. Свет имеет большую информационную ёмкость и может передавать данные быстрее и дальше, чем электричество. Но можно ли использовать свет не только для коммуникации, но и для вычислений?

На этот вопрос пытаются ответить исследователи из Калифорнийского технологического института под руководством Алирезы Маранди, профессора электротехники и прикладной физики. Они разработали фотонный компьютер на основе клеточных автоматов — моделей вычислений, состоящих из сетки «клеток», которые могут жить, умирать, размножаться и эволюционировать в многоклеточные существа с уникальным поведением.

Клеточные автоматы — это не новая идея. Один из самых известных примеров — Игра Жизни или Игра Конвея, разработанная английским математиком Джоном Конвеем в 1970 году. Это компьютерная игра, в которой клетки на сетке живут или умирают по четырём простым правилам. Из этих правил возникают сложные формы и поведения клеток, которые получили названия типа: хлебушек, улей, жаба или тяжелый космический корабль.

Клеточные автоматы привлекают внимание математиков и теоретиков компьютерных наук, но они также могут иметь практическое применение. Некоторые из них могут использоваться для генерации случайных чисел, физических симуляций и криптографии. Другие являются вычислительно такими же мощными, как традиционные архитектуры компьютеров — по крайней мере в принципе.

В некотором смысле, эти ориентированные на задачи клеточные автоматы похожи на муравьиный коллектив, в котором простые действия отдельных муравьев объединяются в большие коллективные действия, такие как рытьё туннелей или сбор и доставка пищи в гнездо. Более «продвинутые» клеточные автоматы, которые имеют более сложные правила (хотя все еще основанные на соседних клетках), могут использоваться для практических вычислительных задач, таких как распознавание объектов на изображении.

Маранди объясняет: «Мы очарованы тем типом сложных поведений, которые мы можем симулировать с помощью относительно простого фотонного оборудования, но мы действительно взволнованы потенциалом более продвинутых фотонных клеточных автоматов для практических вычислительных приложений».

Маранди говорит, что клеточные автоматы хорошо подходят для фотонного вычисления по нескольким причинам. Поскольку обработка информации происходит на крайне локальном уровне (напомним, что в клеточных автоматах клетки взаимодействуют только со своими непосредственными соседями), они устраняют необходимость во многом оборудовании, которое делает фотонное вычисление сложным: различных воротах, переключателях и устройствах, которые иначе требуются для перемещения и хранения световой информации.

А высокопропускная природа фотонного вычисления означает, что клеточные автоматы могут работать невероятно быстро. В традиционном вычислении клеточные автоматы могут быть спроектированы на компьютерном языке, который построен на другом слое «машинного» языка ниже, который в свою очередь основан на двоичных нулях и единицах, которые составляют цифровую информацию.

В отличие от этого, в фотонном компьютере Маранди клетки клеточного автомата представлены ультракороткими импульсами света, которые могут работать в три раза быстрее, чем самые быстрые цифровые компьютеры. При взаимодействии друг с другом в сетке оборудования они могут обрабатывать информацию на лету без замедления всеми слоями, которые лежат в основе традиционных вычислений. По сути, традиционные компьютеры запускают цифровые симуляции клеточных автоматов, а компьютер Маранди запускает реальные клеточные автоматы.

«Ультрабыстрая природа фотонных операций и возможность реализации фотонных клеточных автоматов на кристалле могут привести к компьютерам следующего поколения, которые могут выполнять важные задачи намного эффективнее, чем нынешние электронные компьютеры», — говорит Маранди.