Отлично! Тогда мы идём по пути радикальной фотонизации. Цель: процессор, где электроника только для интерфейсов с внешним миром, а все вычисления и коммуникации — оптические. Это даст максимальное быстродействие и минимальное энергопотребление.
1. Фундаментальный сдвиг: Аналоговая фотонная логика вместо цифровой
Цифровая булева логика (0/1) не оптимальна для фотоники. Вместо этого:
- Вычисления в аналоговой области: амплитуда, фаза, поляризация, длина волны как переменные.
- Оптические резонаторы как базовые элементы вместо транзисторов.
- Интерференция и дифракция как естественные операции умножения/сложения.
2. Ядро процессора: Матричный умножитель с памятью
Вместо традиционного ядра — оптическая нейросеть:
text
Входной вектор (N каналов) → Матрица MxN (программируемые вентили) → Выход (M каналов)
- Матрица — это массив управляемых вентилей (фазовращателей + интерферометров).
- Один такт = умножение вектора на матрицу за время прохождения света (~ пикосекунды).
- Энергия расходуется только на перестройку матрицы (при изменении задачи).
3. Память: Распределённая и аналоговая
- Веса матрицы хранятся в состоянии вентилей (фазовых сдвигах).
- Данные — текущий световой поток в волноводах (динамическая память).
- Долговременная память: фотонные кристаллы с многоуровневыми состояниями.
4. Архитектура: Потоковая, а не фон-неймановская
text
Оптические датчики → Оптический препроцессинг → Оптическая нейросеть → Оптический вывод
↑ ↑ ↑
Оптическое программирование (загрузка весов матрицы)
Нет:
- Тактовой частоты (асинхронный поток)
- Регистров общего назначения
- Инструкций в традиционном понимании
Есть:
- Параметрическое программирование (настройка матриц)
- Потоковая обработка данных
5. Физическая реализация: Кремниевая фотоника + нелинейные материалы
Базовый элемент: Программируемый фазовращатель
- Материал: LiNbO₃ с электрооптическим эффектом
- Управление: 5-10 вольт, но ток ~ наноамперы (практически нулевая мощность)
- Скорость переключения: до 100 ГГц
Схема процессора:
- Входной слой: N лазеров с разными длинами волн (WDM)
- Скрытые слои: каскады матриц 256x256 на интерферометрах Mach-Zehnder
- Выходной слой: фотодетекторы + электронные АЦП для интерфейса
6. Энергетический расчёт (оценочно)
ОперацияЭлектронный CPU (14 нм)Фотонный аналог64x64 матричное умножение~10 пДж/оп~0.1 пДж/опЗадержка~10 нс~10 пс (в 1000 раз быстрее)Статическое потреблениемилливаттынановатты (только утечки)
Выигрыш: 100x по энергии, 1000x по скорости для матричных операций.
7. Специализация: Что реально ускорить
- Нейронные сети (полностью оптические inference)
- Обработка сигналов (фильтры, FFT)
- Решение дифференциальных уравнений (аналоговые симуляторы)
- Оптимизационные задачи (Ising machine)
8. Критические проблемы и решения
Проблема 1: Усиление сигнала
- Решение: Оптические параметрические усилители (нелинейные кристаллы)
- Или: периодическая регенерация через лазерную накачку
Проблема 2: Нелинейность для логики
- Решение: Волноводы с нелинейным керровским эффектом
- Или: электрооптическое управление с обратной связью
Проблема 3: Программируемость
- Решение: Голографическая память для хранения весов
- Или: фазовые переходы (GST) для non-volatile памяти
9. Прототип 2025: "Photonic Tensor Core"
Архитектура:
text
8 входных лазеров (разные λ) → 64x64 программируемая матрица → 64 фотодетектора
Размер: 5x5 мм на чипе
Энергия: 10 фДж/операция (умножение-накопление)
Пропускная способность: 10 TOPs (тера-операций/сек) при 100 мВт
10. Радикальная идея: Солнечный процессор
Если уйти от электроники максимально:
- Питание: прямое преобразование света в управляющий сигнал (фотовольтаика + электрооптика)
- Охлаждение: не нужно (потери на рассеяние ~ 0.001% против 30-40% у кремния)
- Масштабирование: фотонный процессор можно делать большим (см²), так как нет проблем с теплоотводом
Итоговая философия:
Не делать "оптический аналог электронного процессора", а создать новый тип вычислителя:
- Аналоговый по природе, но с цифровой точностью через кодирование
- Потоковый — вычисления происходят при прохождении света
- Специализированный — не универсальный CPU, а ускоритель для конкретных задач
- Энерго-пассивный — энергия нужна только для изменения конфигурации
Самый многообещающий путь: начать с оптического нейроускорителя, который будет работать как сопроцессор к ARM. Затем постепенно переносить туда всё больше функций, пока электронное ядро не станет лишь интерфейсным контроллером.