Optički kompjuteri

Do sada smo mnogo puta videli kako određene naprave, nekada davno opisane u naučnofantastičnim knjigama, postaju uobičajeni deo naše svakodnevice. Isto važi za SF filmove i – kompjutere budućnosti

USF filmovima niko se, doduše, ne upušta u predviđanje o tome na kojim principima futuristički računari rade, ali dozvolićemo sebi slobodu da pretpostavimo da to ima nekakve veze sa svetlošću, pošto ionako sve što nas fascinira u ovoj vrsti filmova ima neke veze s njom – brodovi koji putuju brzinom svetlosti, lasersko oružje ili vanzemaljci koji su često obavijeni svetlošću čudesnih boja. Pogledajmo sada koliko smo (nadamo se ne svetlosnih) godina udaljeni od računara koji umesto elektriciteta koristi svetlost.

Prvo pitanje koje se logično postavlja jeste – zašto bi računari bazirani na svetlosti bili bolji od klasičnih elektronskih koje danas koristimo? Odgovor leži u fizici prenosa i čuvanja informacija. Kod današnjih elektronskih računara informacije se prenose putem toka elektrona, dok bi svetlosni računari u tu svrhu koristili fotone. Fotoni su daleko brži i lakši od elektrona tako da bi korišćenje njih kao nosilaca informacija u računarima dovelo do velikog ubrzanja uz istovremeno drastično smanjenje zagrevanja procesora, a samim tim i do smanjenja potrošnje energije. Dakle, glavni problemi koji postoje kod „elektronskih” procesora prelaskom na optičke bili bi rešeni. Šta se onda čeka?

Zaustavljanje svetlosti

Jednostavno rečeno, problem je u tome kako svetlost zaustaviti i sačuvati informaciju koju ona nosi. Dok se kod klasičnih računara naelektrisanje na jednostavan način „zaustavlja” i čuva, tako nešto još uvek nije moguće izvesti u komercijalno prihvatljivom obliku kada je svetlost u pitanju. Rezultati različitih istraživanja su ohrabrujući, naučnicima je pošlo za rukom da drastično uspore svetlost, čak da je u laboratorijskim uslovima i zaustave, ali sve je to dosta daleko od bilo kakve praktične primene.

Grupa istraživača sa kalifornijskog univerziteta Berkli uspela je da brzinu svetlosti smanji na svega 245 metara u sekundi, što je otprilike tri četvrtine brzine zvuka. Ohrabrujuće u ovom poduhvatu je što su naučnici pomenutu brzinu postigli na sobnoj temperaturi, korišćenjem posebnog lasera u svojstvu pojačavača. U svom prethodnom eksperimentu ista grupa naučnika je postigla sličan rezultat, međutim eksperiment je zahtevao sredinu ohlađenu na svega 10 stepeni Kelvina, što svakako nije pogodno za širu primenu. Slični eksperimenti odvijaju se i na Harvardu, gde je grupa istraživača predvođena profesorkom Lene Hau, koja važi za jednog od najvećih autoriteta u oblasti „spore svetlosti” (slow light), uspela da u svom prvom eksperimentu svetlost uspori još više, do brzine običnog bicikla. U nastavku eksperimenta, koristeći istu aparaturu u kojoj se svetlost usporava u oblaku ultrahladnih atoma natrijuma, grupa profesorke Hau uspela je da zamrzne svetlosni impuls. Mana ovakvog pristupa je to što se amplituda i faza svetlosnog impulsa gube prilikom zamrzavanja, što praktično znači da informacija koju svetlosni impuls nosi takođe biva izgubljena. Dalja istraživanja i eksperimenti grupe profesorke Hau pokazali su da se amplituda i faza svetlosti mogu sačuvati pomoću ultrahladnih atoma poznatih u fizici kao Boze-Ajnštajnovi kondenzati (Bose-Einstein condensates, BEC), koji bi mogli biti osnova optičkih procesora i memorija u budućnosti. Na osnovu svega što je trenutno postignuto, jasno je da su optički procesori i memorije mogući, ali se procenjuje da će do njihove pojave proći još nekoliko desetina godina.

S druge strane, prenos podataka na veće razdaljine putem optičkih kablova postao je deo svakodnevice, ali se i u ovoj oblasti javljaju problemi koji se moraju rešavati kontrolisanjem brzine svetlosti. Usko grlo u optičkim komunikacijama javlja se kod optičkih rutera koji podatke koji se prenose kroz optičke kablove prosleđuju ka željenom odredištu. Podaci brzinom svetlosti putuju do rutera, tu se pretvaraju u sporije električne signale koji se potom ponovo pretvaraju u svetlosne i emituju ka odredištu. Ovakva konverzija, poznata kao OEO (optical-electronic-optical), stvara neželjena zagušenja u mreži. Međutim, primenom usporavanja svetlosti ruteri postaju nepotrebni. Pomenuta grupa istraživača sa univerziteta Berkli nada se da su upravo rezultati njihovih eksperimenata ono što će omogućiti uklanjanje rutera iz optičkih mreža.

Optička magistrala

Ono što „obične” korisnike računara interesuje jeste kako se optičke tehnologije mogu iskoristiti unutar današnjih računara. Slobodno možemo reći da smo na pragu revolucije u ovoj oblasti, koja, kako to obično biva, ovih dana počinje u svetu superkompjutera. Sun Microsystems i Luxtera su udruženim snagama stvorili rešenje za prenos podataka brzinom 40 Gbit/s između gradivnih blokova superkompjutera HERO, namenjenog američkoj odbrambenoj agenciji (DARPA). Projekat je predstavljen sredinom novembra na Super Computing Conference u Sijetlu i revolucionaran je po tome što je, korišćenjem Luxterine tehnologije CMOS Photonics, optičko povezivanje između blokova sistema po prvi put izvedeno korišćenjem transivera (primopredajnika) u potpunosti izrađenih u CMOS tehnologiji, čime je rešen do sada nepremostiv problem smanjenja optoelektričnih komponenti na dovoljno male dimenzije da se integrišu u čip pogodan za praktičnu primenu. Sun je još ranije javnosti predstavio svoju tehnologiju proximity communication koja se koristi za direktno povezivanje čipova na ploči, a koja je takođe za sada našla primenu samo u superkompjuterima. Šta je toliko revolucionarno u optičkom povezivanju komponenti računara, bilo da se radi o povezivanju čipova na matičnoj ploči ili gradivnih komponenata složenijeg računarskog sistema? Pre svega, optički vodovi imaju daleko veći propusni opseg od bakarnih koji su danas u širokoj primeni i njihovom primenom bi se uklonila uska grla u komunikaciji komponenti računarskog sistema od kojih je možda najočigledniji primer komunikacija procesora i memorije. Takođe, korišćenjem svetlosti različitih talasnih dužina, jednim optičkim vodom mogu istovremeno da komuniciraju različite komponente sistema, što vodi ka pojeftinjenju proizvodnje računara. Ovo praktično znači da kada bi se bakarne veze na današnjim računarima zamenile optičkim, dobili bismo jeftinije a višestruko brže računare, čak i kada bi procesori ostali iste snage kakve su sada.

Spuštanje na PC nivo

U celoj ovoj priči najlepše je to što je tehnologija zrela za praktičnu primenu i što će u narednim godinama zaživeti prvo na superkompjuterima, potom će svakako biti primenjena u skupim serverskim sistemima (koji su za Sun Microsystems glavni izvor prihoda), da bi na kraju zašla u široke narodne mase. Tako će prvi uzorci Luxterinog čipa biti dostupni u februaru 2006. godine, da bi godinu dana kasnije ušli u masovnu proizvodnju. U ovoj kompaniji najavljuju i dalji rast propusnog opsega koji će čip podržavati: prva sledeća verzija čipa će omogućavati prenos podataka brzinom 100 Gbit/s, da bi se potom prešlo na verziju od 1 Tbit/s, na putu do krajnje verzije koja će podatke prenositi brzinom od 10 Tbit/s. U Luxteri se istovremeno radi na tehnologiji koja omogućava da se jednim vlaknom simultano prenose svetlosni zraci na 10 različitih talasnih dužina. Uz podršku Sun Microsystemsa, ne treba ni sumnjati da će ova tehnologija zaživeti i da će razvoj računara koji se sastoje od elektronskih komponenti povezanih optičkim vodovima u narednih deset godina doživeti pravi bum.

Budući da se današnja tehnologija veoma brzo približava svojim granicama, realno je očekivati da tehnologije poput ovih opisanih u tekstu zažive i budu uvertira u računare budućnosti koje su oni maštoviti među nama već negde opisali.

Dejan STEFANOVIĆ