Ein Licht auf zelluläre Automaten werfen

Moores Gesetz, benannt nach Intel-Mitbegründer Gordon Moore, ist die Beobachtung, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Mikrochip etwa alle zwei Jahre verdoppelt, was im Laufe der Zeit zu einer deutlichen Steigerung der Rechenleistung führt. Dieses Prinzip ist seit mehreren Jahrzehnten die treibende Kraft hinter dem rasanten technischen Fortschritt. Allerdings wird die Fortführung des Mooreschen Gesetzes zunehmend durch physikalische Einschränkungen in Frage gestellt, da die Komponenten immer kleiner werden.

Um eine Verlangsamung der Weiterentwicklung von Computerchips durch das Ende des Mooreschen Gesetzes zu verhindern, erforschen Forscher alternative Technologien wie das Photonic Computing. Photonisches Computing nutzt Licht oder Photonen anstelle von Elektronen, um Daten zu übertragen und zu verarbeiten. Licht wird bereits erfolgreich im Kommunikationsbereich eingesetzt und ermöglicht im Vergleich zu herkömmlichen Kabelverbindungen eine schnellere Datenübertragung über große Entfernungen. Während Licht Informationen schnell übertragen kann, ist es für komplexe Berechnungen schwierig, Licht zu manipulieren und zu steuern. Daher ist immer noch nicht klar, wie diese Technologie traditionelle Computerarchitekturen ersetzen könnte.

Es handelt sich vielleicht nicht um einen Allzweckcomputer, aber ein Team von Ingenieuren am California Institute of Technology glaubt, dass ihre Photonic-Computing-Architektur ein Schritt in Richtung dieses Ziels ist. Ihre Lösung basiert auf dem Konzept zellulärer Automaten oder simulierter Zellen, die einem vordefinierten Regelwerk folgen. Das bekannteste Beispiel für zelluläre Automaten ist Conways Spiel des Lebens, in dem Regeln, die Dinge wie Überbevölkerung und Fortpflanzung simulieren, dazu führen, dass Zellen sterben oder gedeihen. Diese Systeme laufen normalerweise in Software auf herkömmlicher Computerhardware, aber in dieser Arbeit wurde ein hardwarebasiertes zellulares Automatensystem entwickelt, das Photonik für Berechnungen nutzt.

Einer der Faktoren, die lichtbasiertes Computing so schwierig machen, ist, dass viele Tore, Schalter und andere Komponenten für die Übertragung und Speicherung lichtbasierter Informationen im Computer erforderlich sind – und solche Komponenten mit ausreichender Leistung gibt es heute nicht. Diese Einschränkung macht zellulare Automaten zu einer wünschenswerten Architektur. Da diese Technik nur erfordert, dass eine Zelle mit ihren unmittelbaren Nachbarn interagiert, kann die Hardware zur Lichtsteuerung erheblich vereinfacht werden. Und außerdem macht die hohe Bandbreite dieser photonischen Verbindungen die Verarbeitung unglaublich schnell.

Die Hardware stellt elementare zelluläre Automaten zeitmultiplext über die Pulse eines modengekoppelten Lasers mit fester Wiederholrate dar. Das Vorhandensein von Impulsen stellt den Zustand einer lebenden Zelle dar, während das Fehlen von Impulsen eine tote Zelle darstellt. Zellzustände werden mithilfe eines elektrooptischen Modulators codiert, der das Signal auf drei optische Verzögerungsleitungen aufteilt. Diese Verzögerungen ermöglichen es dem Signal, die Signale seiner nächsten Nachbarn zu stören und so den Zustand der Zelle zu ändern, die im eindimensionalen Gitter davor oder danach liegt. Als nächstes bestimmt die optoelektronische Schwellenwertbestimmung den neuen Zustand jeder Zelle, und die Ergebnisse werden auf einem feldprogrammierbaren Gate-Array gespeichert, das dazu dient, die nächste Iteration oder den nächsten Zyklus des Computers anzusteuern.

Die Forscher glauben, dass die ultraschnellen Operationen, die ihr System ermöglicht, letztendlich zur Entwicklung einer Computerarchitektur der nächsten Generation führen könnten, die Aufgaben effizienter ausführt als heutige digitale Computer. Diese auf zellularen Automaten basierenden Computer sind jedoch hinsichtlich der Art der Operationen, die sie ausführen können, begrenzt, sodass Sie in absehbarer Zeit wahrscheinlich keinen photonischen Computer auf Ihrem Desktop haben werden. Dennoch konnte das Team mit seinem Gerät einige komplexe Phänomene nachweisen, darunter Fraktale, Chaos und Solitonen. Diese Art von Aufgaben ist im Allgemeinen mit viel komplexerer Hardware verbunden, sodass zellulare Automaten-basierte Systeme möglicherweise mit etwas zusätzlicher Arbeit in der Lage sein werden, ein breiteres Spektrum nützlicher Aufgaben auszuführen.