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  • Eine kleine Einführung in Optical Computing - Wenn Elektronen nicht mehr schnell genug sind

    Autor: Christoph Dobra

     

    Schon seit Jahren tuen sich Chip-Hersteller schwer, die Anzahl der Transistoren auf einem Chip zu vergrößern. Um weiterhin die Kanallängen von Transistoren verkürzen zu können, sind hoch innovative Lösungen von Nöten, wie z.B. der Fin-FET oder der GAAFET. Diese helfen einem Schaltgeschwindigkeiten zu erhöhen und Tunneleffekte zu vermeiden. Es gilt ein hoher Anspruch an Digital Designer, die sich den Herausforderungen der immensen Transistorendichte stellen müssen. Alleine die Anzahl an Transistoren in ICs zu erhöhen wird langfristig aber nicht funktionieren. Denn Transistoren kann man nicht beliebig klein machen und eine Produktion solch kleiner Transistoren im großen Stile ist erst recht fast unmöglich.

    Doch was wäre die Alternative? Bisher gibt es keine eindeutige Antwort darauf, doch eine Lösung basiert auf der Nutzung von Photonen anstatt von Elektronen als informationstragendes Medium, genannt Opctical Computing (OC) oder Photonic Computing.

     

    Photonen in der Datenübertragung

    Das Konzept ist eigentlich nichts Neues und wird schon seit Jahrzehnten in der Datenübertragung genutzt. Ein immer größer werdender Anteil aller Haushalte hat bereits einen eigenen optischen Datenanschluss. Die hier gemeinten Glasfaserleitungen bieten den offensichtlichen Vorteil wesentlich höherer Übertragungsraten, bei gleichzeitig niedrigeren Latenzen und Verlustleistungen. Auch im OC will man die Welleneigenschaften und Geschwindigkeit ausnutzen um einen höheren Datendurchsatz zu ermöglichen. Jedoch gibt es große Unterschiede zwischen der bloßen Übertragung von Daten im Gegensatz zur gezielten Manipulation dieser, wie es in einer CPU der Fall ist.

     

    Optische Logik-Gatter

    Um nun eine optische CPU zu entwickeln muss man sich erst einmal Gedanken machen, auf welcher Basis man seine Rechenoperationen durchführen möchte. Zumeist wird dies in der modernen Digitaltechnik auf Bool‘sche Logikoperationen zurückzuführen sein. Literale können zwei Werte annehmen (TRUE oder FALSE) und werden mittels AND, OR und NOT Operationen, auf der Bit-Ebene, miteinander verknüpft und bilden gemeinsam Bool‘sche Funktionen.

    Auch mit Licht können sich solche Logikgatter realisieren lassen. So nutzt man die Interferenz von mehreren Wellen sowie deren unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten in verschiedenen Medien aus.

    Ein einfaches Beispiel: ein optisches EXOR-Gatter:

     

     

     

     

    Offensichtlich überlagern sich die zwei Wellen nur dann destruktiv, wenn beide Quellen mit 1 belegt sind („Licht wird emittiert“). Wenn nur von einer Quelle Licht emittiert wird, so kommen deren Photonen natürlich ohne Probleme am Ausgang an. Wenn keine Quelle sendet, so kommt wieder nichts an. Wir haben also ein einwandfreies optisches EXOR-Gatter geschaffen. Doch man kann bereits voraussehen, wo es in der realen Anwendung Probleme mit dem Gatter geben wird.

     

    Optical Computing in der Realität

    Das Gatter funktioniert nämlich nur genau dann, wenn beide Quellen phasen-, frequenz- und amplitudengleiche Wellen losschicken. Wenn dies nicht der Fall ist, können sich die Wellen nicht vollständig auslöschen. In der Realität sind diese Rahmenbedingungen schwer zu erfüllen, insbesondere, wenn viele hunderte oder gar tausende von Gattern hintereinandergeschaltet werden.

    Es wird immer wieder unerwünschte Wechselwirkungen mit dem verwendeten Material sowie den eingebauten Elementen geben, die es zu vermeiden gilt. Um solche Probleme in den Griff zu bekommen, muss viel Geld in die Erforschung von geeigneten Materialen und Herstellungsprozessen investiert werden. Zudem muss die Technologie dann auch hochskaliert werden, um Chips mit genügend hoher Leistung herzustellen. Es ist noch nicht absehbar, wann die Technologie diesen Grad der Reife erreichen wird, und man ist sich noch sehr uneinig, ob es sich finanziell lohnen wird, in die Weiterentwicklung von OC-Technologien zu investieren.

     

    Vergleich mit CMOS

    Im Vergleich zu CMOS gibt es eigentlich kaum Unterschiede im Entwurf der Schaltungen auf Gatterebene, bis darauf, dass man Gatter verwenden wird, die für die optische Datenmanipulation besser geeignet sind, wie z.B. das obige EXOR-Gatter. Jedoch gibt es fundamentale Unterschiede zwischen CMOS und OC-Technologien, welche sowohl positiv als auch negativ sein können.

     

    Stabilität

    Bei CMOS werden die digitalen Ausgänge direkt mit einer Spannungsquelle verbunden. Dadurch kann trotz Rauschens des Eingangssignals ein ideales digitales Signal ausgegeben werden, da das Potential des Ausgangs im Kleinsignalverhalten nicht von dem der Eingänge einer Schaltung abhängt. Bei optischen Logikgattern sieht das ganz anders aus; wenn sich z.B. die Phase der Welle ändert, wird diese im Durchlauf der Gatterschaltung nicht korrigiert und ein daraus entstehender Bitfehler könnte eine Kettenreaktion auslösen, die sich immer weiter fortpflanzen könnte.

     

    Performanz

    Ein Chip zeichnet sich vor allem durch die Durchsatzrate von Daten aus, welche direkt proportional mit der Frequenz zusammenhängt. Diese wird im Wesentlichen durch Gatter, Latenzen und Abwärme begrenzt. So dauert es erst einige Mikrosekunden, bis ein Gatter aus Transistoren nach dem Wechsel der Eingänge den Ausgang wechselt. Bei optischen Gattern müssen jedoch keine Kapazitäten umgeladen werden, stattdessen breiten sich Wellen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus und durchlaufen das Gatter in einer Zeit proportional zur Gatterlänge. Dadurch sollten theoretisch weit höhere Taktraten möglich sein als bei CMOS Chips, ohne dass eine große Verlustleistung in Form von Wärme zu befürchten ist. Es sollen Schaltgeschwindigkeiten im unglaublichen Terrahertz Bereich möglich sein. Im Vergleich dazu: der AMD Ryzen 9 5950X läuft auf maximal 4.9 GHz.

     

    Aussicht und persönliche Meinung

    Ob wir in Zukunft solche Chips sehen werden, bleibt ungewiss. Aber allein die Theorie finde ich persönlich schon sehr faszinierend, weil die groben Fundamente eigentlich recht verständlich und plausibel sind. Richtig kompliziert wird es aber bei der technischen Umsetzung solcher Chips. Seid gespannt auf den nächsten Artikel, wo dies thematisiert wird!

     

     

    Quellen:

     

    1. (07.02.2020) von www.bbvaopenmind.com/en/technology/future/optical-computing-solving-problems-at-the-speed-of-light/ abgerufen am 20.05.2021
    2. (16.01.2021) von www.youtube.com/watch abgerufen am 20.05.2021
    3. Topological all-optical logic gates based on two-dimensional photonic crystals, Authors: L. He, W. X. Zhang, and X. D. Zhang
    4. (16.02.2021) von en.wikipedia.org/wiki/Optical_computing abgerufen am 20.05.2021
    5. All-optical digital processing through Semiconductor Optical Amplifiers: State of the art and perspectives, Authors: E. Lazzeri, F. Fresi, A. Malacarne, G. Berrettini, G.Meloni, C. Porzi, M. Scaffardi, P. Ghelfi, A. Bogoni, L. Poti