La nuova frontiera dei computer ottici

La realizzazione di un dispositivo interamente “light-based”, senza utilizzo alcuno di elettricità, è ancora lontano. In tempi recenti però sono stati risolti molti problemi relativi a specifici elementi indispensabili a questi nuovi sistemi di elaborazione. I computer ottici, che utilizzano i fotoni al posto degli elettroni per elaborare e immagazzinare informazioni, sono la nuova frontiera dell’elaborazione dati. Possono infatti essere più performanti dei tradizionali sistemi a base elettronica. Centri di ricerca e aziende leader di settore sono costantemente impegnati a creare componenti in grado di esprimere maggiore velocità, con esasperata miniaturizzazione ed elevata integrazione di funzioni nella componentistica a semiconduttore. Secondo la legge di Moore, il numero di transistor in un microprocessore è destinato a raddoppiare circa ogni due anni, aumentando la potenza dei chip ma non il consumo di energia. Ma oramai, almeno sulla base delle attuali conoscenze tecnologiche, si sta arrivando a un limite invalicabile.

Optical Computing

Un salto tecnologico ci si augura possa avvenire con i computer quantistici, ma c’è un’altra opzione: l’Optical Computing. Basandosi sulla fotonica, disciplina che studia componenti elettronici che interagiscono con la radiazione luminosa, elabora segnali di luce al posto di segnali elettrici. Lo sviluppo dei computer ottici per ora si sta orientando verso soluzioni ibride, con architetture in cui sono presenti sottosistemi sia elettronici che completamente ottici. Oggi i traguardi tecnologici raggiunti dalla fotonica propongono risultati di eccellenza da cui è possibile partire per puntare a strutture sempre più complesse. Un primo esempio è il transistor ottico.

Il transistor ottico

La miniaturizzazione dei transistor al silicio è riuscita a rompere la barriera dei sette nanometri, che un tempo era considerata il limite, ma questa riduzione non può continuare all’infinito. E sebbene sistemi più potenti si possano sempre ottenere aumentando il numero di transistor, così facendo la velocità di elaborazione diminuirà e il calore dei chip aumenterà. La ricerca si è quindi spostata sulla realizzazione di un equivalente ottico del transistor tradizionale. I ricercatori dell’università dell’Illinois hanno sviluppato il concetto di “laser transistor”. In essi una delle due uscite elettriche di un normale transistor è sostituita da un segnale ottico: una cavità riflettente all’interno del dispositivo focalizza la luce emessa ottenendo un raggio laser. Non è ancora agevolmente possibile usare la luce per la comunicazione tra i diversi componenti di un computer, data la necessità di dispositivi di conversione da segnale elettrico in ottico e viceversa, e questo nuovo tipo di transistor potrebbe aiutare a risolvere il problema.

Quantum Well

Il dispositivo, tecnicamente definito come transistor bipolare a etero giunzione a indicare che utilizza materiali diversi tra la regione di base e quella di emettitore, impiega nella regione di base un Quantum Well. Il pozzo quantico o buca di potenziale cattura gli elettroni che normalmente verrebbero inviati come uscita elettrica. Questi elettroni subiscono un processo di ricombinazione radiativa, termine con cui si indicano le transizioni di un elettrone dalla banda di conduzione a quella di valenza con emissione di un fotone. Il Quantum Well agisce da cavità di risonanza, con la luce che rimbalza tra le pareti riflettenti, per poi essere emessa come luce laser. Se quindi i dati potrebbero viaggiare come segnali luminosi, come memorizzare la luce?

La memorizzazione della luce

In un computer si hanno, in sintesi, input/output dati, elaborazione, memorizzazione delle informazioni e controllo. Per la parte di memoria si va dai chip RAM, ROM, EPROM, a dispositivi ottici CD e DVD, fino agli HD e ai dischi a stato solido. Affinché la fotonica possa rivoluzionare la tecnologia dei computer, “memorizzare” la luce come informazione sotto forma di un equivalente di sequenza di bit è uno step indispensabile. Tra i dispositivi che la ricerca sta perfezionando vi sono i micro-risonatori ottici: strutture su scala micrometrica in grado di confinare al loro interno la luce.

Loop microscopici

La tecnologia finora sperimentata consiste nell’avere una serie di microscopici loop, ottenuti con processi litografici applicati a materiali semiconduttori, che sostanzialmente “imbottigliano” i fotoni che girano in cerchio, per poi passarli da un anello all’altro: più lunga è la catena, maggiore è il segnale che può essere immagazzinato come memoria, più precisa e ricca l’informazione disponibile. Ma non si è ancora riusciti a evitare imperfezioni negli anelli che causano percorsi accidentati su cui il segnale si indebolisce per attenuazione, per poi svanire con conseguente perdita dell’informazione allocata nel buffer di memoria. Date queste difficoltà connesse all’impossibilità di ulteriori perfezionamenti dei progressi litografici, si è abbandonato il silicio a favore delle fibre ottiche.

Micro-risonatori con tecnologia SNAP

Un risultato emblematico è quello ottenuto da OFS, azienda tra i leader nelle fibre ottiche e nei prodotti di fotonica. OFS ha sviluppato dei micro-risonatori con una tecnologia denominata SNAP, Surface Nanoscale Axial Photonics, agendo sul diametro di una fibra ottica in nano scala, ottenendo microscopiche sezioni in grado di confinare la luce, mandandola avanti e indietro secondo un percorso definito “a cavatappi”. Nelle applicazioni convenzionali la luce viaggia lungo la fibra con continui “rimbalzi” per riflessione sulla superficie di confine tra core e cladding. Le perdite di segnale, pur presenti, consentono comunque lunghissime distanze di trasmissione. I ricercatori hanno ottenuto l’equivalente di una “rampa di uscita” dal core tramite una seconda fibra perpendicolare alla prima e di diametro più piccolo.

Evanescent coupling

Data la vicinanza e il ridimensionamento a una frazione della dimensione originale, una porzione di luce effettua un salto quantico, o quantum leap, verso la seconda fibra. Più propriamente si tratta di un “evanescent coupling”, fenomeno che permette a un’onda elettromagnetica di collegarsi o accoppiarsi da una fibra a un’altra. Qui la luce non segue più un percorso rettilineo come nella prima fibra, ma attorno alla superficie della seconda organizzata in cerchi molto stretti, tornando poi a rifare lo stesso percorso, avanti e indietro, da cui un confinamento. Questo esempio di memorizzazione della luce e il precedente di transistor ottico evidenziano come obiettivo quello di una trasformazione fotonica del comportamento elettronico dei computer tradizionali. Ma si stanno affermando, con successo, approcci completamente diversi.

Un esempio di processore fotonico

Un caso emblematico di innovazione nell’optical computing è l’AI photonic processor per accelerazione AI della Lightmatter, spin-off del MIT. Pur basandosi sempre sulla silicon photonics, non ha forzato i fotoni a operare come gli elettroni. Questo perché ha usato le proprietà fondamentali della luce per eseguire le comuni operazioni digitali di moltiplicazione-accumulazione, o MAC, con cui si calcola il prodotto di due numeri aggiungendolo a un accumulatore. Il chip è composto da due die impilati verticalmente, entrambi realizzati con processi CMOS standard: al top c’è un ASIC in tecnologia 12nm che integra la memoria e controlla il die sottostante, il processore fotonico vero e proprio in tecnologia 90nm, in cui risiede la parte di elaborazione come matrice fotonica 64×64. I dati si propagano attraverso il chip in meno di 200 picosecondi, e il computer engine è pilotato da un laser da 50 mW. Un DAC prende i segnali digitali in input, li converte in una tensione analogica che pilota il laser, la cui luce entra nell’array di calcolo. Come concetto base, i dati sono codificati come luminosità della luce e questo è possibile tramite modulazione del segnale.

Elementi computazionali e modulazione

Gli elementi computazionali sono dei particolari interferometri, i Mach Zehnder Interferometers (MZI). Questi ricevono una luce coerente, cioè un raggio luminoso tutto alla stessa lunghezza d’onda e fase, e lo dividono in due in corrispondenza di una giunzione a Y. Poi applicano sfasamenti diversi (phase shift) a ciascun semiraggio, con ricombinazione in corrispondenza di una successiva giunzione a Y. Combinando i segnali con fasi diverse si ottiene un’interferenza costruttiva o distruttiva, che modula la luminosità della luce che passa attraverso gli MZI. Da evidenziare che la modulazione può essere pensata come un’operazione di moltiplicazione e dove le guide d’onda, di spessore da 200 a 300nm, si incontrano, i segnali vengono di fatto sommati tra loro. Questa è la base del MAC ottico.

Opzioni

L’uscita di luce dall’array di calcolo raggiunge poi un fotodiodo, il cui segnale viene alimentato tramite un ADC per interfacciarsi con il resto della circuiteria digitale. La creazione dello sfasamento a livello silicon photonics non è certo banale e vi sono più opzioni. La prima è tramite elementi riscaldanti: applicando calore alla guida d’onda, si può cambiare l’indice di rifrazione e influenzare la velocità della luce attraverso la guida d’onda stessa. A sua volta provoca uno sfasamento proporzionale al cambiamento di temperatura e anche proporzionale alla lunghezza del segmento riscaldato. Ma i tempi di intervento dei riscaldatori sono troppo lenti per le esigenze di alte velocità di calcolo che si vogliono raggiungere. Questo per la costante di tempo termica del segmento da riscaldare.

MEMS, Micro Electro-Mechanical Systems

Altra opzione è l’aggiunta di droganti alla guida d’onda. Intervengono però criticità a livello di dimensioni delle microstrutture, per cui alla fine ci si è rivolti ai MEMS, i Micro Electro-Mechanical Systems, realizzando un sistema elettromeccanico nano-ottico denominato NOEMS, Nano-Opto-Electro-Mechanical System. In uno sfasatore NOEMS, la guida d’onda è costruita come una struttura MEMS, quindi con incisione del materiale semiconduttore. Applicando una carica alle parti superiori e inferiori della guida se ne determina una flessione. Pur di esigua entità è sufficiente per influenzare il suo indice di rifrazione, da cui uno shift di fase del segnale ottico che la attraversa.

Caratteristiche principali

Come caratteristica, questo sistema ha una perdita estremamente bassa. La dissipazione statica di potenza è sostanzialmente zero, quella dinamica è minima e possono essere utilizzate frequenze elevate, dell’ordine delle centinaia di MHz. L’unica energia consumata è quella dello sfasatore cui si aggiunge la piccola quantità di perdita ottica attraverso la guida d’onda. Non appena gli “operandi” sono immessi in input, i risultati sono disponibili in output con un consumo di energia quasi nullo: questo è molto importante nelle applicazioni AI che sono di norma estremamente energivore.

Contesto AI

Nello specifico del contesto AI, i progettisti del processore fotonico tengono a sottolineare che calcoli di inferenza multiple possono essere eseguiti simultaneamente. Come? Codificando ogni set di dati in input in differenti lunghezze d’onda della luce. Da questi un solo chip ottico potrebbe svolgere il lavoro di più chip tradizionali, con un aumento delle performance di elaborazione. I progressi nella tecnologia della fotonica al silicio, cioè della propagazione della luce attraverso un chip di silicio, stanno quindi consentendo complesse strutture che possono essere manipolate per eseguire operazioni MAC in un modo completamente diverso dall’elettronica tradizionale basata sui transistor.

Paolo Gandolfo

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