Image Credit: Alexander Piggott
Η Jelena Vuckovic, ηλεκτρολόγος μηχανικός του Stanford επιδιώκει να επιταχύνει τους υπολογιστές με ταυτόχρονη αύξηση της αποδοτικότητάς τους, αλλάζοντας ριζικά τον τρόπο με τον οποίο μεταφέρονται τα δεδομένα μεταξύ των κυκλωμάτων.
Η Jelena Vuckovic, ηλεκτρολόγος μηχανικός του Stanford επιδιώκει να επιταχύνει τους υπολογιστές με ταυτόχρονη αύξηση της αποδοτικότητάς τους, αλλάζοντας ριζικά τον τρόπο με τον οποίο μεταφέρονται τα δεδομένα μεταξύ των κυκλωμάτων.
Σήμερα τα δεδομένα προωθούνται υπό μορφή ροής ηλεκτρονίων μέσω καλωδίων. Σαν αποτέλεσμα, απαιτούνται υψηλά επίπεδα ισχύος, γεγονός που εξηγεί την υπερθέρμανση που παρατηρείται στα laptops.
Όπως δηλώνει η Vuckovic, ο συνάδελφός της, καθηγητής David Miller, ανέλυσε προσεκτικά την κατανάλωση ισχύος των υπολογιστών καταλήγοντας σε θεαματικά αποτελέσματα. Σύμφωνα με τον Miller έως και το 80% της ισχύος που καταναλώνουν οι μικροεπεξεργαστές οφείλεται στην διακίνηση δεδομένων μέσω καλωδιακών διασυνδέσεων.
Σε άρθρο του Nature Photonics με βασικό συγγραφέα τον Alexander Piggot απόφοιτο του Stanford, η Vuckovic και η ερευνητική ομάδα της εξηγούν μία διαδικασία που θα μπορούσε να επιφέρει επανάσταση στην πληροφορική αντικαθιστώντας τον ηλεκτρισμό με υπέρυθρο φως για την μεταφορά δεδομένων στο εσωτερικό των υπολογιστών.
Συγκεκριμένα, οι μηχανικοί του Stanford επιθυμούν να δημιουργήσουν σμίκρυνση της αποδεδειγμένης τεχνολογίας του internet κατά την οποία τα δεδομένα διαδίδονται με δέσμες φωτονίων μέσω οπτικών ινών. Ο Piggot αναφέρει:
"Η οπτική μετάδοση πληροφορίας απαιτεί λιγότερη ενέργεια από την μετακίνηση ηλεκτρονίων μέσω καλωδίων. Για την τάξη μεγέθους των συνδέσμων των κυκλωμάτων το φως μπορεί επίσης να μεταφέρει 20 φορές περισσότερη πληροφορία."
Θεωρητικά, το υπό συζήτηση σενάριο είναι εφικτό, καθότι το πυρίτιο είναι διαφανές στο υπέρυθρο φως κατά τον ανάλογο τρόπο που οι οπτικές ίνες είναι διαφανείς στο ορατό. Συμπεραίνουμε λοιπόν, πως τα καλώδια θα μπορούσαν να αντικατασταθούν από οπτικές διασυνδέσεις, δηλαδή δομές πυριτίου σχεδιασμένες για την μετάδοση υπέρυθρου φωτός.
Μέχρι πρότινος όμως οι μηχανικοί κατασκεύαζαν μεμονωμένες διασυνδέσεις. Δεδομένου πως χιλιάδες συνδέσεις χρειάζονται για κάθε ηλεκτρονικό σύστημα η οπτική μεταφορά δεδομένων παρέμενε μη πρακτική. Τον περιορισμό αυτό όμως πιστεύεται πως προσπέλασαν οι μηχανικοί του Stanford με την δημιουργία του λεγόμενου αλγορίθμου αντιστρόφου σχεδιασμού. Ο εν λόγω αλγόριθμος δουλεύει όπως υποδηλώνει το όνομά του. Οι μηχανικοί ορίζουν την επιθυμητή λειτουργικότητα ενός οπτικού κυκλώματος και ο αλγόριθμος επιστρέφει τις λεπτομέρειες κατασκευής μίας δομής πυριτίου που μπορεί να παρέχει την επιθυμητή λειτουργικότητα.
Η ερευνητική ομάδα κατασκεύασε λειτουργικό οπτικό κύκλωμα και αρκετά αντίγραφα στο εργαστήριο. Εκτός του Piggot, στο εγχείρημα συμμετείχαν οι απόφοιτοι Jesse Lu (τώρα στην Google) και Jan Petykiewicz, καθώς και οι postdoctoral Thomas Babinec και Κωνσταντίνος Λαγουδάκης. Όπως ανέφεραν στο Nature Photonics, οι κατασκευές λειτούργησαν άψογα, παρά τις μικρές ατέλειες. Τις ατέλειες αυτές αποδίδουν στις διαδικασίες κατασκευής στο εργαστήριο, οι οποίες δεν είναι τόσο ακριβείς όσο αυτές των εμπορικών μονάδων, όπου η μαζική παραγωγή θα ήταν εύκολη εφόσον κατέστη δυνατή ακόμα και στο εργαστήριο όπως υποστηρίζει ο Piggot.
Οι ερευνητές οραματίζονται ακόμα περισσότερες χρήσιμες εφαρμογές για τον αλγόριθμο αντιστρόφου σχεδιασμού, όπως ευρυζωνικές οπτικές επικοινωνίες, συμπτυγμένα συστήματα μικροσκοπίας και υπερ-ασφαλείς κβαντικές επικοινωνίες.
Διάταξη και φυσικές αρχές
Η δραστηριότητα των ερευνητών στο εν λόγω project, βασίζεται στην ιδιότητα του υπέρυθρου φωτός να διαπερνά το πυρίτιο, κατά τον τρόπο που το ορατό φως διαπερνά το γυαλί. Όπως ένα πρίσμα αναλύει το ορατό φως λόγω των διαφορετικών γωνιών διάθλασης των χρωμάτων που το απαρτίζουν, έτσι και κατάλληλες δομές πυριτίου μπορούν να κάμπτουν το υπέρυθρο φως ελεγχόμενα ώστε να το καθιστούν εκμεταλλεύσιμο.
Ο αλγόριθμος έχει την δυνατότητα να σχεδιάζει δομές πυριτίου τέτοιες ώστε περισσότερες από 20 παρακείμενες να μην υπερβαίνουν σε πλάτος την διάμετρο μίας ανθρώπινης τρίχας. Οι διασυνδέσεις αυτές μπορούν να μεταδίδουν υπέρυθρο φως συγκεκριμένης συχνότητας, σε συγκεκριμένη θέση. Χρησιμοποιώντας φωτόνια κατάλληλων συχνοτήτων ο αλγόριθμος μπορεί να δημιουργήσει διακόπτες, αγωγούς ή οτιδήποτε άλλο χρειάζεται για την εκάστοτε λειτουργία.
Η καινοτομία βασίζεται στον τρόπο με τον οποίο ο αλγόριθμος περιγράφει την διαδικασία κατασκευής και την ποσότητα δομών που χρειάζονται για να κάμψουν το υπέρυθρο φως. Υπολογίζει το ιδανικό σχήμα ανάλογα με την περίσταση και στη συνέχεια οι συνήθεις βιομηχανικές διαδικασίες μπορούν να ακολουθηθούν για την παρασκευή του προτύπου σε τεμάχιο πυριτίου.
Οι ερευνητές βρίσκουν απεριόριστες τις δυνατότητες του αλγορίθμου, ενώ σημειώνουν πως η αυτοματοποίηση του σχεδιασμού κυκλωμάτων μεγάλης κλίμακας, ήταν αυτή που επέτρεψε την πραγματοποίηση των σύγχρονων φιλοσοφημένων ηλεκτρονικών.
Αυτοματοποιώντας την διαδικασία παραγωγής οπτικών διασυνδέσεων, θεωρούν πως προετοιμάζουν το έδαφος για την επόμενη γενιά ταχύτερων και αποδοτικότερων σε ενεργειακό επίπεδο υπολογιστών, που θα χρησιμοποιούν φως αντί για ηλεκτρισμό για την μεταφορά δεδομένων.
