В России запатентован фотонный компьютер
В традиционном компьютере логика вычислений строится с помощью 1 и 0, что соответствует наличию или отсутствию тока в транзисторе. А что в вашем компьютере 1 и 0, ведь там нет электронов?
Сергей Степаненко: В фотонном компьютере все вычислительные операции должны выполняться не с электронами, а с фотонами - носителями света. Но логика строится на тех же принципах, что и в случае с электронами, только здесь 1 - это наличие света в определенной точке пространства в определенный момент времени, а 0 - его отсутствие. Такая идентичность логики крайне важна, она позволит применить к фотонным устройствам те же структурные решения, которые уже наработаны в электронной вычислительной технике. И еще. Все решаемые электронными компьютерами задачи вполне по силам фотонным. В этом, кстати, их отличие от квантовых компьютеров, для которых в современном представлении класс задач очень ограничен.
Принцип действия фотонного компьютера был продемонстрирован в США в 1990 году, но почти за 30 лет реальной машины так и не появилось. Почему? Какой принципиальный прорыв осуществили наши ученые?
Сергей Степаненко: Сразу отмечу, что таким компьютером занимались не только в США, но и в других странах. В РАН коллектив под руководством академика Всеволода Сергеевича Бурцева в начале 90-х годов опубликовал по оптическим компьютерам много работ, актуальных и сегодня.
Почему не удавалось создать фотонную вычислительную машину, которая могла бы конкурировать с электронной? Причин несколько. Например, применялись элементы, в которых под действием света менялась прозрачность. Это требует довольно много времени и энергии. Как следствие, оптические операции получаются "дороже" электронных. Мы предлагаем использовать в фотонном компьютере оптические логические элементы, в которых взаимодействуют не только световые импульсы, но и участвуют вещества окружающей среды. Это позволит кардинально улучшить длительность выполнения операций и энергоэффективность. Кстати, принцип действия этих элементов предложен и запатентован в России еще в 1997 году.
Был и второй барьер, который долгие годы не удавалось преодолеть создателям фотонного компьютера. Дело в том, что вольно или невольно они пытались повторить классическую архитектуру электронных машин, в частности вариант известного ученого Джона фон Неймана. Например, хотели "воспроизвести" оперативную память компьютера в оптическом виде, но это крайне сложно и дорого. Ведь свет не имеет массы покоя. Словом, создать фотонный компьютер, конкурентоспособный электронному, не удавалось.
Но ученым вашего института это удалось. В чем секрет прорыва?
Сергей Степаненко: Удалось найти несколько принципиальных решений, выделю основные. Я уже упоминал пассивные оптические логические элементы, в которых операции будут выполняться при взаимодействии световых импульсов, а длительность операции определяется размером элемента и скоростью света. Кроме того, вместо архитектуры машины фон Неймана применен принципиально иной вариант. Он должен обеспечить выполнение операций сразу по готовности необходимой информации без задержек, вызванных обращением в память и "конфликтов" из-за одновременного использования исполнительных устройств и каналов связи.
В результате можно получить производительность вычислительной машины в тысячи раз больше, чем у электронной, при том же энергопотреблении.
Вопрос принципиальный. Ведь современные суперкомпьютеры потребляют, а главное, выделяют много энергии. Их охлаждение стало серьезным препятствием для увеличения производительности. Как вы решаете эту проблему?
Сергей Степаненко: Энергия экономится благодаря тому, что вычислительные операции будут выполняться в результате взаимодействия лишь световых импульсов. В итоге предельно сокращается "общение" света с внешней средой. Сегодня конструкторы электронных компьютеров стремятся преодолеть барьер производительности 1 эксафлопс (10 в 18 степени операций в секунду). По нашим оценкам, фотонный компьютер такой же производительности будет потреблять энергии примерно в 10 тысяч раз меньше.
Как в таком компьютере хранить информацию? Ведь традиционный магнитный носитель, который используется в электронных машинах, здесь не применишь. Свет не "законсервируешь"…
Сергей Степаненко: Оптическую память, в принципе, создать можно, но ее производительность будет меньше, чем у фотонного процессора, а значит, тормозить вычисления. Поэтому часть функций, в частности хранение информации, предполагается поручить электронным компьютерам. Они близки к технологическим пределам, но вполне могут быть использованы для хранения, подготовки и обработки информации, вырабатываемой фотонным компьютером. Это своеобразная "инфраструктура" для обеспечения собственно фотонных вычислений. Оснащать фотонный компьютер всеми видами памяти и связи, наверное, нецелесообразно. Согласитесь, абсурдно "вешать" на космический корабль инфраструктуру космодрома, она в полете не нужна, да и корабль "не потянет".
В какой стадии сейчас находится эта разработка? Когда фотонный компьютер "выйдет в свет"?
Сергей Степаненко: Разработаны основные положения и получены оценки параметров. Они опубликованы в ряде научных журналов. В настоящее время мы выполняем моделирование отдельных компонентов и по результатам должны выбрать наиболее эффективное техническое решение. Создание фотонного компьютера - масштабная задача, требующая больших ресурсов и надлежащей организации работ. Ее можно и нужно решить в течение 5-10 лет. Если фотонный компьютер не сделаем мы, то сделают другие. Как говорится, время пошло.