Naukowcy od lat szukają alternatyw dla elektroniki w jej obecnej koncepcji, której ograniczenia stają się coraz bardziej dotkliwe. Jak wiadomo, od blisko 80 lat obliczenia cyfrowe w komputerach opierają się na wykorzystaniu przepływu prądu elektrycznego – czyli strumienia elektronów – przez układy scalone. Wykorzystanie prądu, choć sprawdzone, ma też wady (jeśli można w ten sposób określić cechy, które od przysłowiowego zawsze uważano po prostu za nieodłączny element działania) – generuje ciepło i utratę energii na skutek naturalnej rezystancji fizycznych materiałów.
Także dystrybucja i zarządzanie przepływem prądu w coraz bardziej złożonych układach staje się niekiedy problemem trudnym do pokonania. Co więcej, szkolenie i uruchamianie zaawansowanych modeli AI pochłania już dziś ogromne ilości energii – do tego stopnia, że napotyka coraz ostrzejszy sprzeciw społeczny przeciwko niekontrolowanemu wzrostowi rachunków za prąd czy nadmiernemu zużyciu zasobów wody do chłodzenia – a obawy, że przyszłe systemy staną się, i to w całkiem bliskim horyzoncie czasowym, zbyt energiochłonne, by utrzymywać ich efektywność, rosną.
Rozwiązaniem mogłoby być tutaj światło. Strumienie fotonów przesyłane za pomocą kabli światłowodowych od dawna dominują w komunikacji internetowej, zapewniając nieporównywalną z innymi metodami wydajność transferu informacji – dotychczas nie znalazły jednak, pomimo prób, zastosowania w komputerach. Stało się tak z uwagi na trudności napotykane przy próbach pogodzenia ich wykorzystania wewnątrz układów elektronicznych z logiką przełączania sygnałów w obliczeniach komputerowych.
Ich główną wadą była bowiem minimalna interakcja z otoczeniem, co utrudniało zarządzanie obiegiem sygnałów – i tym samym informacji. A co za tym idzie – co uniemożliwiało budowę układów logicznych opartych wyłącznie na świetle.
Ecce Lumen
Przełom może nastąpić dzięki wykorzystaniu nowych cząsteczek, będących hybrydą światła i materii, które łączą zalety niematerialnego strumienia fotonów – takie jak ogromna prędkość przemieszczania się i niskie zużycie energii – ze zdolnością do silnej interakcji z innymi sygnałami, charakterystyczną dla materii. Badacze z Uniwersytetu Pensylwanii skonstruowali bowiem układ, w którym quasi-cząsteczki zwane ekscytonami-polaritonami umożliwiają przełączanie sygnałów optycznych przy energii rzędu 4 femtodżulów, czyli około 4 × 10^{-15} dżula. Czyli, mówiąc po ludzku, bardzo, bardzo małej.
Ekscytony-polaritony powstają w wyniku silnego oddziaływania fotonów z ekscytonami w cienkiej (rzędu atomów) warstwie półprzewodnika umieszczonej wewnątrz nanometrycznego rezonatora optycznego. Ekscytony to oddziałujące na siebie „pary” cząsteczek/stanów energetycznych, tworzone przez elektrony wybite przez strumień fotonów z warstwy półprzewodnika oraz dodatnio naładowane „dziury” w owym półprzewodniku. W warunkach odpowiednio silnego oddziaływania świetlnego tworzące się pary ekscytonów-polaritonów „dziedziczą” właściwości fizyczne zarówno po fotonach, jak i elektronach.
W ten sposób powstałe hybrydowe quasi-cząsteczki łączą zatem dużą prędkość i niskie straty energetyczne charakterystyczne dla światła z silną nieliniowością, typową dla materii. Dzięki temu uzyskano nieliniową reakcję optyczną, w której jeden sygnał świetlny może bezpośrednio oddziaływać i sterować drugim, bez konwersji na postać elektryczną – a której sprawność energetyczna wielokrotnie przewyższa parametry konwencjonalnych materiałów nieliniowych optycznie. To otwiera drogę do pełnej optycznej obróbki danych i fotonicznego przetwarzania informacji kwantowych.
Badacze z Purdue University posunęli się zresztą jeszcze dalej, demonstrując działanie „fotonicznego tranzystora”, który działa przy natężeniu pojedynczych fotonów, osiągając nieliniowość optyczną o kilka rzędów wielkości wyższą niż w najlepszych znanych dotąd materiałach. Osiągnięcia te rozwiązywałyby fundamentalny problem fotoniki. Chodzi o fakt, że tradycyjna nieliniowość optyczna, w której jedna wiązka światła wpływa na drugą, wymagała ogromnego natężenia energii – tymczasem osiągnięcia te w perspektywie mogą pozwolić na zastosowanie mniejszej mocy niż ta zasilająca zwykłą diodę.
Początek ery światła w komputerach?
To z kolei otwiera drogę do praktycznych zastosowań, choć historia prób zastąpienia elektroniki fotoniką liczy już dekady. W latach 80. i 90. pojawiały się optyczne komputery analogowe, które jednak nie wytrzymały konkurencji z szybko skalowalnymi układami CMOS. Energochłonność dzisiejszej AI zmieniła jednak kalkulację. Trening AI zużywa setki megawatogodzin, a koszty chłodzenia zaczynają dominować nad samymi obliczeniami. Systemy oparte na polaritonach oferują możliwość obsługi obliczeń, w których macierze mnożone są bezpośrednio w domenie optycznej, z minimalną generacją ciepła.
Jeszcze długo nie dojdzie także, najprawdopodobniej, do zupełnego końca ery elektroniki. Hybrydowe rozwiązania w komputerach, w których fotonika obsługuje masowe operacje równoległe, a elektronika zajmuje się kontrolą i pamięcią, pozostają najbardziej prawdopodobnym scenariuszem na najbliższe lata. Jeśli jednak uda się utrzymać nieliniowość optyczną, przy zachowaniu niewielkiego wydatku energii, w masowej produkcji, słowo „elektronika” może faktycznie stracić część swojego obecnego znaczenia – obejmującego, w potocznym rozumieniu, całość sprzętu komputerowego.
A przynajmniej może tak być w tych segmentach, gdzie liczy się nie tylko szybkość obliczeń, ale przede wszystkim bilans energetyczny na operację. Cały czas prowadzone są zresztą prowadzące w tym kierunku prace. Przykładowo, firma Lightmatter z Kalifornii zaprezentowała fotoniczny procesor do obsługi AI, łączący szybkość z wydajnością energetyczną. Z kolei zespół Lightintelligence z Singapuru zbudował układ PACE (Photonic Arithmetic Computing Engine), który łączy komponenty fotoniczne z obwodami elektronicznymi – i rozwiązuje problemy optymalizacyjne 500 razy szybciej niż nowoczesne jednostki GPU.