Crédito: Nicolle R. Fuller, Sayo Studio
Los investigadores están explorando la computación fotónica como alternativa a las tecnologías basadas en silicio debido a las dificultades de fabricar diminutos transistores de silicio.
La búsqueda interminable de computadoras más pequeñas y rápidas que puedan hacer más ha llevado a los fabricantes a diseñar transistores cada vez más pequeños que ahora están integrados en chips de computadora por decenas de miles de millones.
Y hasta ahora, esta táctica ha funcionado. Las computadoras nunca han sido tan poderosas como lo son hoy. Pero hay límites: los transistores de silicio tradicionales solo pueden volverse tan pequeños debido a las dificultades de fabricar dispositivos que, en algunos casos, tienen solo unas pocas decenas de átomos de ancho. En respuesta, los investigadores han comenzado a desarrollar tecnologías informáticas, como computadoras cuánticas, que no dependen de transistores de silicio.
Otra vía de investigación es la computación fotónica, que utiliza luz en lugar de electricidad, de la misma manera que los cables de fibra óptica han reemplazado a los cables de cobre en las redes informáticas. Una nueva investigación de Alireza Marandi de Caltech, profesora asistente de ingeniería eléctrica y física aplicada, utiliza hardware óptico para hacer autómatas celulares, un tipo de modelo de computadora que consiste en un “mundo” (un área cuadriculada) que contiene “células” (cada cuadrícula cuadrada) que pueden vivir, morir, reproducirse y evolucionar hacia criaturas multicelulares con sus propios comportamientos únicos. Estos autómatas se han utilizado para realizar tareas informáticas y, según Marandi, se adaptan perfectamente a las tecnologías fotónicas.
“Si compara la fibra óptica con el cable de cobre, puede transferir información mucho más rápido con la fibra óptica”, dice Marandi. “La gran pregunta es si podemos usar esta capacidad de información de la luz para la computación en lugar de solo para la comunicación. Para responder a esta pregunta, estamos particularmente interesados en pensar en arquitecturas de hardware de computación no convencionales que se adapten mejor a la fotónica que a la electrónica digital.
Autómata celular
Para comprender a fondo los equipos diseñados por el grupo Marandi, es importante entender qué son los autómatas celulares y cómo funcionan. Técnicamente hablando, son modelos de computadora, pero ese término no ayuda a la mayoría de las personas a entenderlos. Es más útil pensar en ellos como células simuladas que siguen un conjunto de reglas muy básico (cada tipo de autómata tiene su propio conjunto de reglas). De estas sencillas reglas pueden surgir comportamientos increíblemente complejos. Uno de los autómatas celulares más conocidos, llamado los juegos de la vida O el juego de la vida de conway, fue desarrollado por el matemático inglés John Conway en 1970. Tiene solo cuatro reglas que se aplican a una cuadrícula de “células” que pueden estar vivas o muertas. Estas reglas son:
- Cualquier célula viva con menos de dos vecinos vivos muere, según la subpoblación.
- Cualquier celda viva con más de tres vecinos vivos muere, como si estuviera superpoblada.
- Cualquier célula viva con dos o tres vecinos vivos vive en la siguiente generación.
- Cualquier célula muerta con exactamente tres vecinos vivos cobrará vida, como por reproducción.
Una computadora que ejecuta el juego de la vida aplica repetidamente estas reglas al mundo en el que viven las células a intervalos regulares, cada intervalo se considera una generación. En unas pocas generaciones, estas reglas simples llevan a las células a organizarse en formas complejas con nombres evocadores como pan, colmena, sapo y nave espacial pesada.
Un “pan” como aparecería en Game of Life de Conway. Crédito: Maxgyisawesome/Wikimedia Commons
Una “colmena” como aparecería en Game of Life de Conway. Crédito: Maxgyisawesome/Wikimedia Commons
Un “sapo” como aparecería en Game of Life de Conway. Crédito: Maxgyisawesome/Wikimedia Commons
Una “nave espacial pesada” como aparecería en Game of Life de Conway. Crédito: Maxgyisawesome/Wikimedia Commons
Los autómatas celulares básicos o “elementales” como El juego de la vida atraen a los investigadores que trabajan en teoría matemática e informática, pero también pueden tener aplicaciones prácticas. Algunos de los autómatas celulares elementales se pueden utilizar para la generación de números aleatorios, simulaciones físicas y criptografía. Otras son tan potentes desde el punto de vista computacional como las arquitecturas informáticas convencionales, al menos en principio. En cierto sentido, estos autómatas celulares orientados a tareas son similares a una colonia de hormigas en la que las acciones simples de las hormigas individuales se combinan para realizar acciones colectivas más grandes, como cavar túneles o recolectar comida y llevarla al nido. Los autómatas celulares más “avanzados”, que tienen reglas más complicadas (aunque aún se basan en celdas vecinas), se pueden usar para tareas informáticas prácticas, como identificar objetos en una imagen.
Marandi explica: “Si bien estamos fascinados por el tipo de comportamientos complejos que podemos simular con un hardware fotónico relativamente simple, estamos realmente entusiasmados con el potencial de los autómatas celulares fotónicos más avanzados para aplicaciones informáticas prácticas.
Ideal para computación fotónica
Marandi dice que los autómatas celulares son muy adecuados para la computación fotónica por varias razones. Dado que el procesamiento de la información ocurre a un nivel extremadamente local (recuerde que en los autómatas celulares, las células solo interactúan con sus vecinos inmediatos), eliminan la necesidad de gran parte del hardware que dificulta la computación fotónica: las diversas puertas, interruptores y dispositivos que son de lo contrario, se requiere para mover y almacenar información basada en la luz. Y la naturaleza de alto ancho de banda de la computación fotónica significa que los autómatas celulares pueden funcionar increíblemente rápido. En la computación tradicional, los autómatas celulares se pueden diseñar en un lenguaje de computadora, que se basa en otra capa de lenguaje de “máquina” debajo de esta, que a su vez se encuentra por encima de los ceros binarios y los que componen la información digital.
Por el contrario, en el dispositivo de computación fotónica de Marandi, las células del autómata celular son solo pulsos de luz ultracortos, que pueden permitir una operación hasta tres órdenes de magnitud más rápida que las computadoras digitales más rápidas. Debido a que estos pulsos de luz interactúan entre sí en una red de hardware, pueden procesar información en movimiento sin que todas las capas que sustentan la computación tradicional los ralenticen. Esencialmente, las computadoras tradicionales ejecutan simulaciones digitales de autómatas celulares, pero el dispositivo de Marandi ejecuta autómatas celulares reales.
“La naturaleza ultrarrápida de las operaciones fotónicas y la capacidad de realizar autómatas celulares fotónicos en un chip podrían conducir a computadoras de próxima generación capaces de realizar tareas importantes de manera mucho más eficiente que las computadoras electrónicas digitales”, dice Marandi.
El artículo que describe el trabajo, titulado “Autómatas celulares elementales fotónicos para la simulación de fenómenos complejos”, aparece en la edición del 30 de mayo de la revista Luz: ciencia y aplicaciones.
Referencia: “Autómatas celulares elementales fotónicos para la simulación de fenómenos complejos” por Gordon HY Li, Christian R. Leefmans, James Williams y Alireza Marandi, 30 de mayo de 2023, Luz: ciencia y aplicaciones.
DOI: 10.1038/s41377-023-01180-9
El autor principal es Gordon HY Li (MS ’22), estudiante graduado en física aplicada; con los coautores Christian R. Leefmans, estudiante graduado en física aplicada; y James Williams, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica.
La financiación para la investigación fue proporcionada por la Oficina de Investigación del Ejército de los Estados Unidos, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Fundación Nacional de Ciencias.
