Современная цивилизация сильно зависима от информационных технологий, и с каждым годом людям требуются все более мощные компьютеры. Кажется, прогресс не стоит на месте — и производительность электроники только растет. Но, по мнению международной команды ученых, это лишь видимость: на самом деле, микроэлектроника приближается к тупику. Они видят выход из ситуации в фотонных компьютерах и проанализировали, насколько человечество продвинулось в области их разработки.

Новое исследование провели специалисты из Королевского университета в Кингстоне (Queen’s University, Канада), Принстонского университета (Princeton University, США), Вестфальского университета имени Вильгельма (University of Münster, Германия), Оксфордского университета (University of Oxford, Англия) и Университета Эксетера (University of Exeter, Англия). Результаты работы они опубликовали в рецензируемом журнале Nature Photonics.

Во вступлении к статье ученые отмечают, что вся современная электроника обладает коренным недостатком, проистекающим из самого принципа ее архитектуры. За крайне редким исключением компьютеры уже более 70 лет строятся по принципам архитектуры фон Неймана. То есть команды для обработки данных и сами данные совместно хранятся в памяти. Они представлены в одинаковом виде и отличаются лишь способом обращения к ним. У такого подхода есть невероятное множество проверенных временем достоинств, но и один существенный изъян.

Дело в том, что операции обращения к памяти — немного медленнее, чем операции обработки данных и выполнения вычислений. Этот недостаток обусловлен как принципами архитектуры, так и физическими ограничениями: сделать все ячейки памяти одинаково и одновременно доступными невозможно. Эта проблема получила название «узкое место архитектуры фон Неймана», или «фон-Неймановское бутылочное горлышко» (von Neumann bottleneck).

Всю историю развития компьютеров инженеры пытались сгладить эффект этого изъяна. У процессоров появился кэш и со временем стал многоуровневым, по-разному разделенным для отдельных блоков и типов данных. Даже притом что внутренняя память процессора намного быстрее оперативной, а та, в свою очередь, на порядок быстрее постоянных накопителей, глобально это лишь отодвинуло кризис, а не решило проблему. Более того, чрезмерно сложные механизмы работы с кэшем стали дополнительной головной болью для разработчиков и специалистов по кибербезопасности — стоит вспомнить только аппаратные уязвимости вроде Spectre и Meltdown.

Но есть и другое решение, радикально отличающееся от существующих на сегодня. В своем исследовании ученые проанализировали такое многообещающее направление работы, как фотонные компьютеры. В них роль переносчиков информации играют не электроны, а фотоны. По мнению специалистов, у таких систем есть все шансы стать будущим электроники. Правда, для этого придется полностью отойти от архитектуры фон Неймана и обратиться к природе, а точнее — к человеческому мозгу.

Исследователи предложили нейроморфную архитектуру фотонного процессора. Она интегрируется в существующие электронные схемы, но «под капотом» такого чипа — оптические вентили и запоминающие элементы. Они реализованы по принципу нейронов, то есть одновременно и хранят информацию, и обрабатывают ее. Подобный подход не только обещает более высокий потенциал для развития, но и позволяет на аппаратном уровне реализовать нейронную сеть. А это уже следующий скачок в прогрессе вычислительных систем. Достаточно посмотреть на то, какие впечатляющие результаты нейросетевые алгоритмы выдают на «обычных» компьютерах. Трудно даже представить, что произойдет, если из их работы будет устранена неоптимизированная фон-Неймановская логика.

Естественно, поскольку эта публикация не просто фантазии, пусть и достоверные, ее авторы потрудились аргументированно обосновать свои умозаключения. Среди прочего они обратили внимание на технологии, которые необходимо усовершенствовать или вовсе создать с нуля, чтобы такой компьютер мог эффективно работать. К сожалению, никаких прогнозов о том, когда стоит ждать подобные процессоры, в статье не содержится.