Fremtiden er lys for optiske computere
KOMMENTAR. Moores lov er død: Længe leve laserlyset!
computer optisk fibre Moores lov laser ydeevne chip transistorer integreret kredsløb binær digital analog motherboard siliciumchips

Optiske chips kommer til at styre fremtidens datacentre og supercomputere. Elektroniske chips kan nu få et lag af optiske komponenter, som lasere og kontakter, der tilføjes, for at øge computerkraften. (Illustration: Martijn Heck, Aarhus Universitet)

Lige siden computeren blev opfundet, er den kun blevet hurtigere og hurtigere på grund af vores evne til at fordoble antallet af transistorer i et integreret kredsløb. 

De smartphones, som vi bruger i dag, er flere millioner gange hurtigere end de computere, som NASA brugte til at sende den første mand til månen i 1969.

Historien kort
  • Optiske forbindelser har længe været anvendt til dataoverførsel mellem computere og andre digitale enheder.
  • Men det har indtil nu vist sig vanskeligt at integrere optiske komponenter i produktionen af elektroniske chip.
  • Forskere fra Aarhus Universitet arbejder med at løse denne udfordring samt følge udviklingen inden for integreret optik.

De overgår endda 1990'ernes berømte supercomputere.

Vi nærmer os imidlertid den elektroniske teknologis grænse, og i kølvandet kan vi se en interessant udvikling:

Lys og lasere overtager elektronik i computere. 

Nuværende teknologi er løbet tør for strøm

Processorer kan nu indeholde små lasere og lysdetektorer, så de kan sende og modtage data gennem optiske fibre ved større hastigheder end dem, vi bruger nu. 

I dag findes der endda virksomheder, som producerer optiske processorer, hvor de optiske komponenter er indbygget i chippen i stedet for strøm og elektroniske transistorer.

Lad os først se nærmere på, hvorfor den nuværende teknologi er løbet tør for strøm. Og selvfølgelig finde svar på spørgsmålet: Hvor længe går der, før vi kan købe en optisk computer?

Moores lov lever på lånt tid

Computere anvender ettaller og nuller til alle beregninger, og transistorerne er de små kontakter, der gør det hele muligt. De nuværende processor-chips, eller integrerede kredsløb, består af flere milliarder transistorer.

I 1965 forudsagde én af Intel's medstiftere, Gordon Moore, at kapaciteten af integrerede kredse (chips) ville blive fordoblet hvert andet år. 

Forudsigelsen blev navngivet Moore's lov, og nu - et halvt århundrede senere - lever den stadig. Tja, det vil sige, den ser ud til stadig at være i live. Men vi er faktisk ved at nå til vejs ende for den eksponentielle kapacitetsvækst.

Transistorerne er på vej til at være samme størrelse som en elektron, hvilket betyder, at de kvantemekaniske effekter danner en flaskehals.

Ny teknologi er alt for bekostelig

De elektroner, der sammen udgør strømmen, kan tilfældigt forsvinde fra de små elektriske komponenter, hvilket vil skabe rod i beregningerne. 

Den nyeste teknologi med transistorer på blot 5 nanometer er desuden så kompliceret, at den angiveligt bliver alt for bekostelig at producere.

Et fabrikationsanlæg til halvledere til 5-nanometer chipteknologien, som skal være driftsklar i 2020, har allerede kostet den nette sum af 17 milliarder dollars.

computer optisk fibre Moores lov laser ydeevne chip transistorer integreret kredsløb binær digital analog motherboard siliciumchips

Din smartphone er en million gange hurtigere end de computere, NASA brugte til at få den første mand på månen i 1969. Den er endda hurtigere end de berømte supercomputere fra 1990'erne. Nu nærmer vi os dog grænserne for denne elektroniske teknologi. (Photo: NASA) 

Processorchips stagnerer

Transistorernes præstationsvækst er faldet. Kan du huske dengang, der med få års mellemrum kom stadig hurtigere computere på markedet? Fra 10 MHz i 80'erne, til 100 MHz i 90'erne og 1 GHz i 2000? Den udvikling er stoppet; computerne har ligget fast på 4 GHz i mere end 10 år.

Vi kan stadig forbedre præstationen med smart chip design, for eksempel ved hjælp af parallelbehandling i multi-core processorer, men den øgede hastighed skyldes ikke selve transistorerne.

Denne slags hastighedsforøgelse har dog sin pris. Alle processorens kerner skal kommunikere indbyrdes for at kunne dele opgaverne, og det kræver en masse energi.

Faktisk så meget, at kommunikation på og mellem chips nu er ansvarlig for mere end halvdelen af ​​computerens samlede strømforbrug.

Bidrager lige så meget til CO2-aftrykket som køleskab

Fordi computere er overalt, i vores smartphones og bærbare computere, i datacentre og internettet, udgør dette energiforbrug faktisk en væsentlig del af vores CO2-aftryk. 

Bestil et gratis foredrag om fremtidens lys for computere

Martijn Heck er med i 'Bestil en Forsker'-ordningen - en del af Forskningens Døgn - og kan til og med 3. april bookes gratis til at holde et foredrag mellem 20.-26. april. Det tilbud gælder også for de øvrige forskere i ordningen. 

Foredragets titel er 'Lighting up computers' og kan bestilles her

Det estimeres, at koncentreret brug af en smartphone opkoblet til internettet forbruger den samme mængde energi som et køleskab. Lidt af en overraskelse, ikke sandt?

Det er nu ikke din egen personlige strømregning, du skal være bekymret for; størstedelen af energien bruges af datacentrene og netværket.

Smartphones og anden bærbar teknologi fortsætter ufortrødent med at stige i både antal og brug.

Frygt ikke! Laserne kommer til undsætning

Hvordan reducerer vi computernes energiforbrug og gør dem mere bæredygtige? Svaret dukker op, når vi ser på internettet.

Tidligere brugte vi elektriske signaler, der blev transporteret gennem kobberledninger, til at kommunikere. 

Optisk fiber, der er i stand til at transmittere lys over lange afstande med meget små tab, har revolutioneret kommunikationsindustrien og har gjort internettet til hvad, det er i dag - hurtigt og verdensspændende.

Man kan endda få fiber hele vejen ind i de hjemlige gemakker.

Det er den samme ide som bliver brugt til den næste generation af computere og servere. Chipsene vil ikke længere være koblet til et bundkort, men i stedet bruger vi optiske bølgeledere. De kan - ligesom optiske fibre - styre lys, og er indlejret i bundkortet.

Små lasere og fotodioder anvendes derefter til henholdsvis at generere og modtage datasignalet. Faktisk overvejer eksempelvis Microsoft allerede denne tilgang til deres Cloud-servere.

Optiske chips er en realitet

Jeg ved godt, hvad du tænker nu:

»Lige et øjeblik, hvordan kan chipsene kommunikere med hinanden ved hjælp af lys? Er de ikke bygget til at generere en elektrisk strøm?«

computer optisk fibre Moores lov laser ydeevne chip transistorer integreret kredsløb binær digital analog motherboard siliciumchips

Eksperimentel forskning på optiske chips ved Aarhus Universitet. Chippen er placeret under mikroskopet, og optiske fibre kobles til chippen for at måle dens ydeevne. Mikroskopet er nødvendigt, fordi chippens optiske komponenter typisk er mindre end omkredsen på et menneskehår. (Foto: Lars Kruse, Aarhus Universitet)

Jo, det er de. Eller rettere - det var de. Interessant nok, kan  siliciumchips tilpasses, så de omfatter lystransmittere og lysreceivere integreret på chippen sammen.

Det har forskere fra Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA allerede formået, og de har nu startet en virksomhed (Ayar Labs), der skal kommercialisere teknologien.

Her ved Aarhus Universitet tænker vi endnu længere ud i fremtiden: Hvis chips kan kommunikere med hinanden optisk ved hjælp af laserlys, ville det så ikke give mening, at optik også kan gavne kommunikationen i chippen - mellem kernerne og transistorerne? Og det er præcis dét, vi har sat os for.

I fællesskab med samarbejdspartnere i hele Europa er vi ved at afdække om vi kan producere mere energieffektiv hukommelse ved at skrive bits og bytes ved hjælp af laserlys integreret på chipsene. 

Det er yderst eksplorativ forskning, og hvis det lykkes, kan vi ændre fremtidens chipteknologi så tidligt som i år 2030.

Fremtiden: optiske computere om fem år?

Så langt, så godt, men det kommer med en advarsel: Selvom optik er bedre til kommunikationsformål end elektronik, er det ikke velegnet til alle beregninger. I det mindste når der er tale om binære beregninger -  altså nuller og ettaller.

Her står den menneskelige hjerne muligvis med en løsning. Vi tænker ikke binært. Menneskehjernen er ikke digital, men analog, og den foretager beregninger hele tiden.

Computeringeniører er i gang med at realisere en analog 'hjerne-computer'. Dette har skabt et nyt felt af neuromorf-databehandling, hvor man forsøger at efterligne den måde, menneskehjernen arbejder.

Optiske chips har vist sig at være et glimrende valg til denne nye hjernelignende måde at regne på, grundet deres analoge natur. Den teknologi, som MIT og vores team ved Aarhus Universitet bruger til at skabe optisk kommunikation mellem og på siliciumchips, kan også bruges til i fremtiden at fremstille neuromorfe optiske chips.

Fotonets og lysets tidsalder

Faktisk er det allerede påvist, at disse chips er i stand til basal talegenkendelse. To start-ups i USA, Lightelligence og Lightmatter, har nu taget udfordringen op og forsøger at realisere sådanne optiske chips til kunstig intelligens.

ForskerZonen

Denne artikel er en del af ForskerZonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde.

Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.

ForskerZonen er støttet af Lundbeckfonden.

Optiske chips halter stadig efter elektroniske chips, men vi ser allerede nu resultater, og forskningen kan føre til en komplet revolution af computerkraft. 

Måske ser vi om fem år de første optiske co-processorer i supercomputere. 

De vil blive brugt til meget specifikke opgaver, eksempelvis opdagelsen af ​​nye lægemidler. Men hvem ved, hvad der så vil ske? Om ti år kan disse chips bruges til at registrere og genkende objekter i selvkørende biler og autonome droner. 

Så når du taler med Apple's Siri eller Amazon's Echo, taler du måske med en optisk computer.

Hvis det 20. århundrede var elektronens tidsalder, så er det 21. århundrede fotonets tidsalder - lysets tidsalder. Fremtiden ser nemlig lys ud.

Læs artiklen på engelsk hos ScienceNordic. Oversat af Stephanie Lammers-Clark.


Ugens Podcast

Lyt til vores ugentlige podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Det sker