Puntare la luce sugli automi cellulari

La legge di Moore, dal nome del co-fondatore di Intel Gordon Moore, è l'osservazione che il numero di transistor su un microchip raddoppia circa ogni due anni, portando a un aumento significativo della potenza di calcolo nel tempo. Questo principio è stato per decenni la forza trainante del rapido progresso della tecnologia. Tuttavia, la continuazione della Legge di Moore è sempre più messa alla prova da vincoli fisici poiché i componenti si riducono a dimensioni sempre più piccole.

Per evitare rallentamenti nell'avanzamento dei chip dei computer causati dalla fine della Legge di Moore, i ricercatori stanno esplorando tecnologie alternative, come il calcolo fotonico. Il calcolo fotonico sfrutta la luce, o i fotoni, invece degli elettroni, per trasmettere ed elaborare i dati. La luce è già stata utilizzata con successo nel campo delle comunicazioni, consentendo una trasmissione dei dati più rapida su lunghe distanze rispetto alle tradizionali connessioni cablate. Sebbene la luce possa trasmettere informazioni rapidamente, è difficile manipolarla e controllarla per calcoli complessi. Pertanto, non è ancora chiaro come questa tecnologia possa sostituire le tradizionali architetture informatiche.

Potrebbe non essere un computer completamente universale, ma un team di ingegneri del California Institute of Technology ritiene che la loro architettura di calcolo fotonico sia un passo verso questo obiettivo. La loro soluzione si basa sul concetto di automi cellulari, o celle simulate, che seguono un insieme di regole predefinite. L'esempio più riconoscibile di automi cellulari è Il gioco della vita di Conway, in cui regole che simulano cose come la sovrappopolazione e la riproduzione fanno sì che le cellule muoiano o fioriscano. Questi sistemi vengono generalmente eseguiti tramite software su hardware informatico tradizionale, ma in questo lavoro è stato sviluppato un sistema di automi cellulari basato su hardware che sfrutta la fotonica per il calcolo.

Uno dei fattori che rende l’informatica basata sulla luce così difficile è che sono necessari molti gate, interruttori e altri componenti per trasferire e archiviare informazioni basate sulla luce attorno al computer – e tali componenti con prestazioni sufficienti non esistono oggi. Questa limitazione rende gli automi cellulari un’architettura desiderabile. Poiché questa tecnica richiede solo che una cellula interagisca con le cellule vicine, l’hardware per il controllo della luce può essere notevolmente semplificato. Inoltre, l’elevata larghezza di banda di queste connessioni fotoniche rende l’elaborazione incredibilmente veloce.

L'hardware rappresenta gli automi cellulari elementari in modalità multiplexata nel tempo tramite gli impulsi di un laser bloccato in modalità con una velocità di ripetizione fissa. La presenza di impulsi rappresenta lo stato di una cellula viva, mentre l'assenza di impulsi rappresenta una cellula morta. Gli stati delle cellule vengono codificati utilizzando un modulatore elettro-ottico, che divide il segnale su tre linee di ritardo ottiche. Questi ritardi consentono al segnale di interferire con i segnali dei suoi vicini più prossimi, e quindi di modificare lo stato della cella che la precede o la segue nel reticolo unidimensionale. Successivamente, la soglia optoelettronica determina il nuovo stato di ciascuna cella e i risultati vengono archiviati su un gate array programmabile sul campo, che serve a guidare la successiva iterazione, o ciclo, del computer.

I ricercatori ritengono che le operazioni ultraveloci rese possibili dal loro sistema potrebbero portare allo sviluppo di un'architettura informatica di prossima generazione in grado di eseguire compiti in modo più efficiente rispetto ai computer digitali di oggi. Tuttavia, questi computer basati su automi cellulari sono limitati nei tipi di operazioni che possono eseguire, quindi probabilmente non avrai presto un computer fotonico sul tuo desktop. Ma nonostante ciò, il team è riuscito a dimostrare alcuni fenomeni complessi, tra cui frattali, caos e solitoni con il loro dispositivo. Questo tipo di compiti sono generalmente associati a hardware molto più complessi, quindi forse con qualche lavoro aggiuntivo, i sistemi basati su automi cellulari diventeranno in grado di eseguire una gamma più ampia di compiti utili.