La ricerca senza fine di computer più veloci e più piccoli che possano fare di più ha portato i produttori a progettare transistor sempre più piccoli che ora sono racchiusi nei chip dei computer a decine di miliardi. Ma un computer fotonico potrebbe andare anche oltre questa frontiera.
Electra, il potente supercomputer modulare della NASA. Crediti immagine: NASA Ames
E finora, questa tattica ha funzionato. I computer non sono mai stati più potenti di adesso. Ma ci sono dei limiti: i tradizionali transistor al silicio possono diventare così piccoli solo a causa delle difficoltà nella produzione di dispositivi che a volte sono larghi solo poche decine di atomi.
In risposta, i ricercatori hanno iniziato a sviluppare tecnologie informatiche, come i computer quantistici, che non si basano su transistor al silicio.
Un’altra via di ricerca è calcolo fotonico, che utilizza la luce al posto dell’elettricità, in modo simile a come i cavi in fibra ottica hanno sostituito i fili di rame nelle reti di computer.
Una nuova ricerca di Alireza Marandi del Caltech, assistente professore di ingegneria elettrica e fisica applicata, utilizza hardware ottico per realizzare automi cellulari, un tipo di modello di computer costituito da un “mondo” (un’area a griglia) contenente “celle” (ogni quadrato della griglia ) che possono vivere, morire, riprodursi ed evolversi in creature multicellulari con i propri comportamenti unici.
Esiste in natura: la lumaca tessile Conus mostra un modello di automa cellulare sul suo guscio. Credito immagine: Richard Ling via Wikimedialicenza GFDL
Questi automi sono stati utilizzati per eseguire attività di calcolo e, secondo Marandi, sono ideali per le tecnologie fotoniche.
“Se confronti una fibra ottica con un cavo in rame, puoi trasferire le informazioni molto più velocemente con una fibra ottica”, afferma Marandi.
“La grande domanda è: possiamo utilizzare quella capacità informativa della luce per il calcolo anziché solo per la comunicazione? Per rispondere a questa domanda, siamo particolarmente interessati a pensare ad architetture hardware informatiche non convenzionali che si adattino meglio alla fotonica rispetto all’elettronica digitale”.
Automi cellulari
Una “pagnotta” come apparirebbe in Conway’s Game of Life.
Per comprendere appieno l’hardware progettato dal gruppo di Marandi, è importante capire cosa sono gli automi cellulari e come funzionano. Tecnicamente parlando, sono modelli computazionali, ma quel termine fa poco per aiutare la maggior parte delle persone a capirli.
È più utile pensarli come celle simulate che seguono un insieme di regole molto basilare (ogni tipo di automa ha il proprio insieme di regole). Da queste semplici regole possono emergere comportamenti incredibilmente complessi.
Uno degli automi cellulari più noti, chiamato Il gioco della vita O Il gioco della vita di Conway, è stato sviluppato dal matematico inglese John Conway nel 1970. Ha solo quattro regole che vengono applicate a una griglia di “celle” che possono essere vive o morte. Tali regole sono:
- Qualsiasi cella viva con meno di due vicini vivi muore, come per sottopopolazione.
- Qualsiasi cella viva con più di tre vicini vivi muore, come per sovraffollamento.
- Qualsiasi cella viva con due o tre vicini vivi vive fino alla generazione successiva.
- Qualsiasi cella morta con esattamente tre vicini vivi prenderà vita, come per riproduzione.
Un “alveare” come apparirebbe in Conway’s Game of Life.
Un computer che esegue il Gioco della vita applica ripetutamente queste regole al mondo in cui vivono le cellule a intervalli regolari, con ogni intervallo considerato una generazione.
Nel giro di poche generazioni, quelle semplici regole portano le celle a organizzarsi in forme complesse con nomi evocativi come pagnotta, alveare, rospo e astronave pesante.
Gli automi cellulari di base, o “elementari”, come The Game of Life attraggono i ricercatori che lavorano in matematica e teoria informatica, ma possono anche avere applicazioni pratiche.
Alcuni degli automi cellulari elementari possono essere utilizzati per la generazione di numeri casuali, simulazioni fisiche e crittografia.
Un “rospo” come apparirebbe in Conway’s Game of Life. Crediti (tutte e tre le immagini): Maxgyisawesome/Wikimedia Commons
Altri sono computazionalmente potenti quanto le architetture informatiche convenzionali, almeno in linea di principio. In un certo senso, questi automi cellulari orientati ai compiti sono simili a una colonia di formiche in cui le semplici azioni delle singole formiche si combinano per compiere azioni collettive più ampie, come scavare gallerieo raccogliere il cibo e riportarlo al nido.
Gli automi cellulari più “avanzati”, che hanno regole più complicate (sebbene ancora basati su celle vicine), possono essere utilizzati per attività di calcolo pratiche come l’identificazione di oggetti in un’immagine.
Marandi spiega: “Sebbene siamo affascinati dal tipo di comportamenti complessi che possiamo simulare con un hardware fotonico relativamente semplice, siamo davvero entusiasti del potenziale di automi cellulari fotonici più avanzati per applicazioni di calcolo pratiche”.
Ideale per il calcolo fotonico
Marandi afferma che gli automi cellulari sono adatti al calcolo fotonico per un paio di motivi.
Poiché l’elaborazione delle informazioni avviene a livello estremamente locale (ricorda che negli automi cellulari le cellule interagiscono solo con i loro immediati vicini), eliminano la necessità di gran parte dell’hardware che rende difficile il calcolo fotonico: i vari cancelli, interruttori e dispositivi che sono altrimenti richiesto per lo spostamento e la memorizzazione di informazioni basate sulla luce.
E la natura ad alta larghezza di banda del calcolo fotonico significa che gli automi cellulari possono funzionare incredibilmente velocemente. Nell’informatica tradizionale, gli automi cellulari potrebbero essere progettati in un linguaggio informatico, che è costruito su un altro livello di linguaggio “macchina” al di sotto di quello, che a sua volta si trova in cima agli zero binari e agli uni che compongono l’informazione digitale.
Il computer fotonico potrebbe migliorare anche i nostri dispositivi personali. Credito immagine: Onur Binay tramite Unsplash, licenza gratuita
Al contrario, nel dispositivo di calcolo fotonico di Marandi, le cellule dell’automa cellulare sono solo impulsi di luce ultrabrevi, che possono consentire operazioni fino a tre ordini di grandezza più veloci rispetto ai computer digitali più veloci.
Poiché questi impulsi di luce interagiscono tra loro in una griglia hardware, possono elaborare le informazioni in movimento senza essere rallentati da tutti i livelli che sono alla base del calcolo tradizionale. In sostanza, i computer tradizionali eseguono simulazioni digitali di automi cellulari, ma il dispositivo di Marandi esegue veri e propri automi cellulari.
“La natura ultraveloce delle operazioni fotoniche e la possibilità di realizzazione su chip di automi cellulari fotonici potrebbero portare a computer di nuova generazione in grado di svolgere compiti importanti in modo molto più efficiente rispetto ai computer elettronici digitali”, afferma Marandi.
Scritto da Emily Velasco
Fonte: Caltech
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
