Dragan KOSOVAC

1. avgust 2023.

Optoelektronika je naučna disciplina koja se bavi proučavanjem i stvaranjem uređaja, čiji jedan deo, klasično, funkcioniše zahvaljujući strujanju elektrona, ali imaju i segmente koji otkrivaju, prate, kontrolišu ili proizvode fotone, odnosno, svetlost u vidljivom delu elektromagnetnog spektra. Tehnički gledano, to pokriva sve uređaje koji u sebi sadrže optičko-električki ili električko-optički transduktor (pretvarač jednog oblika energije u drugi), kao što je širok spektar aparata koji koriste lasere, poput DVD uređaja. Ipak, ova grana elektrotehnike obećava i nešto što mnogo više golica maštu futuristički orijentisanih korisnika računara, a to su ultrabrzi kompjuteri, čija funkcija se, takođe, ne zasniva na kretanju električne struje, već na kontroli nad snopovima fotona. Veterani među čitaocima „Sveta kompjutera” sigurno se sećaju nekih od naših tekstova koji prate razvoj u ovom domenu, a koje smo objavljivali tokom minulih godina (SK 5/2010, i.sk.rs/8060, SK 1/2006, i.sk.rs/4417), pa i decenija (SK 9/2000, i.sk.rs/1269). Pojedine od komponenata su već uspele da naprave skok od ambicioznih prognoziranja do implementirane stvarnost, dok druge još uvek čekaju da razvojni timovim naučnika otklone i zaobiđu sve malobrojnije prepreke na tom putu.

Energija

Kada neko, zadovoljan trenutnim stanjem stvari, postavi pitanje: „Zašto uopšte razvijati fotonski računar, kada ovi sadašnji, na elektrone, funkcionišu odlično?” umesto ubeđivanja ili objašnjavanja detalja, dovoljno je staviti mu u ruku zagrejani mobilni telefon ili ga postaviti pored neke „zver konfiguracije” u punom zamahu. Brzo „guranje” elektrona kroz provodničke i poluprovodničke vodove zahteva električnu energiju, a bez obzira na to koliko su napredni i sićušni njihovi vodovi, uvek postoji električni otpor i posledično zagrevanje uređaja. U poređenju sa „velikim kolegama”, protonima i neutronima, elektron ima samo 0,000548 deo njihove mase, ali ona je i dalje merljiva. Foton, kao paketić energije, efektivno, nema masu i njegovo kretanje može da se obavi mnogo ekonomičnije uz manje neželjenih posledica, kao što je zagrevanje.

Ekonomičnost računara je divna stvar, pogotovo za ljubitelje prenosnih i minijaturnih uređaja. Ipak, brojni konstruktori na ekonomičnost gledaju sa druge strane: kao mogućnost da se sve multiplikuje i podigne na energetski nivo prethodne ili konkurentske generacije uređaja, što će rezultovati većom brzinom računara. U današnjoj praksi, to obećava kompjutere sa radnim taktom koji se meri trocifrenim, a ne jednocifrenim brojem gigaherca. Ali, što bi rekli razni voditelji telešop-emisija, ni to nije sve.

Brzinska prednost sprovođenja informacija putem fotona već se koristi u optičkim magistralama i dok to već predstavlja osetno unapređenje unutar računara, nije ono što zaista zanima istraživače - procesorska snaga. Iako današnji nivo tehnološkog razvoja optičkih komponenata već omogućava konstrukciju fotonske varijante klasičnih logičkih kola, koja će obraditi ulazni signal binarnom logikom na isti način kao njihovi elektronski pandani, njihova minijaturizacija i multiplikacija i dalje, donekle, predstavljaju izazov. Ono što je mnogo primamljivije jeste korišćenje inherentnih svojstava svetlosti za stvaranje nove vrste računara, čija funkcija u određenom, specijalizovanom domenu, znatno prevazilazi mogućnosti klasičnih elektronskih, pa, čak, i novih, kvantnih kompjutera.

Optimizacija

Krajem juna ove godine, kompanija Microsoft predstavila je javnosti svoj projekat AIM (Analog Iterative Machine) na kom se već više od tri godine radi u njihovoj laboratoriji Microsoft Research New England, u Kembridžu, u državi Masačusets. Radi se o specijalnoj vrsti računara, osmišljenoj za brzu obradu velike količine podataka u realnom vremenu i to bez pretvaranja tih podataka u binarne vrednosti i zatim obavljanja milijardi računskih operacija sirovom snagom superkompjutera.

Osnovna namena AIM računara je rešavanje kompleksnih optimizacionih problema. Brojne delatnosti svakodnevno koriste moćne računare upravo za optimizaciju, bilo da se radi o proizvodnim procesima, planiranju ruta u domenu logistike i transporta, stvaranju kvalitetnijih radnih protokola na polju energetike ili u zdravstvu. Finansijski sektor takođe je utemeljen na neprestanoj obradi kompleksnih jednačina i ogromne količine podataka, a, na kraju, tu je sama kompjuterska nauka u okviru koje razvoj novih i kvalitetnijih računara zahteva rešavanje problema iz domena kombinatoričke optimizacije. Razlog zašto se Microsoft upustio u potragu za novom vrstom računara koji mogu da lakše i brže rešavaju optimizacione probleme krije se iza činjenice da sa svakim novim elementom nekog procesa njihova kompleksnost i broj potencijalnih ishoda eksponencijalno raste. Kako vreme prolazi i sve delatnosti postaju sve kompleksniji sistemi, tako njihova optimizacija zahteva sve veću računarsku moć, sve do tačke kada prerasta mogućnosti najmoćnijih sistema za digitalno računanje.

Microsoftovi naučnici potrebu za moćnijim računarima za rešavanje optimizacionih problema slikovito ilustruju klasičnim zadatkom iz ovog polja, zvanim „problem trgovačkog putnika”. Zadatak traži najbržu putanju za obilazak grupe gradova ako trgovac kreće iz svog matičnog grada, posećuje svaki grad na spisku samo jednom i onda se vraća kući. Kada se na listi nalazi samo pet gradova, problem ima samo 12 mogućih rešenja, od kojih je lako odabrati najbolje. Ali, ako na spisak trgovačkog putnika stavimo 61 grad, broj potencijalnih putanja toliko je astronomski visok, da je veći od pretpostavljenog broja atoma u celom kosmosu. Tada je za pronalaženje optimalne putanje potrebno mnogo, mnogo računanja, a zamislite, samo, rešavanje optimizacionog problema sa više stotina ili hiljada varijabli.

Cilj AIM-a je da istovremeno reši dva glavna problema na polju optimizacije koja ima, naizgled, beskonačni apetit za konvencionalnim kompjuterima. Prvi problem leži u činjenici da novac ne može da kupi beskonačnu računarsku snagu. Ovo je posledica tehnoloških ograničenja pri izradi kompjuterskih čipova, jer čak i da Murov zakon ostane na snazi i broj tranzistora koji može da se smesti u integrisano kolo nastavi da se udvostručuje svake dve godine, računarska tehnologija nije skalabilna do u beskonačnost, pa što je kompjuter moćniji, to je za sve manje povećanje u snazi potrebna sve veća količina novca. Drugi problem leži u ograničenjima trenutno konvencionalnih računara, koji su specijalizovani za rešavanje optimizacionih problema (QUBO, quadratic unconstrained binary optimization). Iako njihov razvoj i unapređivanje teče bez prestanka tokom poslednjih dvadesetak godina, njihova ograničenost na rad sa isključivo binarnim vrednostima i nedostatak upotrebljivosti van domena optimizacije čini ih neisplativim.

AIM

Jedno od bitnih svojstava fotona je da između njih nema interakcije (na tom svojstvu zasnovana je brza komunikacija optičkim kablovima). Ali, fotoni ipak interaguju sa materijom kroz koju se kreću, a to svojstvo omogućava konstrukciju logičkih kola za obavljanje linearnih operacija, kao što su sabiranje i množenje, a upravo one su osnova rešavanja zadataka iz domena kombinatoričke optimizacije. Na primer, kada svetlost pada na senzor naših digitalnih foto-aparata, on sabira vrednosti detektovanih fotona i na osnovu njih stvara odgovarajuću količinu električne struje: na sličnom principu funkcioniše optičko sabiranje. Sa druge strane, kao što se podaci prenose kroz optički kabl kontrolisanjem intenziteta svetlosti, tako kretanje svetlosti kroz odgovarajući medijum množi njen intenzitet: tako radi optičko množenje. Ipak, za kompletno izračunavanje optimizacionih zadataka neophodno je obavljanje i niza nelinearnih kalkulacija, pa taj deo preuzima konvencionalni, elektronski računar. Takav optimizacioni sistem naziva se QUMO (quadratic unconstrained mixed optimization).

Kombinujući optičke i elektronske komponente, AIM je u stanju da neverovatnom brzinom obavi veoma specijalizovane proračune. U osnovi je optičko izračunavanje miliona operacija vektorsko-matričnog množenja. Vektori predstavljaju promenjive vrednosti koje je potrebno izračunati, dok matrica enkodira sam zadatak. U praksi, ovo znači da svetlost, čiji intenzitet je nosač podataka, prolazi kroz modulatorski sistem, čija sama konstrukcija definiše specifični algoritam koji optička mašina izračunava, a izlazni svetlosni signal odgovara traženoj vrednosti. Izračunavanje na ovaj način daje rezultate i brže od klasičnih, čisto električnih računara i uz višestruko niži utrošak električne energije. Kada se pomenuti optički modulatori smanje sa veličine laboratorijskog prototipa (veličine oko dva metra) na čipove prečnika od jednog centimetra, ceo AIM računar može da se spakuje u mali serverski rek, što, zapravo, povećava njegovu efikasnost. Naime, pošto svetlost prevaljuje jedan metar za pet nanosekundi, ovakvo smanjivanje uređaja ubrzava ga više od dvesta puta.

Dodatni bonusi ovakve vrste izračunavanja su odsustvo potrebe da se podaci neprestano prebacuju između memorije i lokacija za izračunavanje. Sem toga, za razliku od digitalnih računara, koji funkcionišu sinhrono, AIM radi potpuno asinhrono. Ipak, najbitnija stvar vezana za ovaj analogni optički računar je ta da ne zahteva korišćenje revolucionarnih novih tehnologija ili materijala - sve već postoji godinama ili čak decenijama i koristi se u konvencionalnim uređajima dostupnim na tržištu.

• • •

Od kraja juna ove godine, Microsoft je otvorio vrata programa AIM svim zainteresovanim kompanijama koje žele da testiraju njihove optimizacione algoritme. Interesantno, taj servis, za sada, samo emulira funkcionisanje fizičkih AIM uređaja pomoću konvencionalnog superračunara, zasnovanog na grafičkim akceleratorima, pre svega, zbog potrebe da se algoritmi neprestano prilagođavaju zahtevima i potrebama korisnika. Kada se algoritam definiše, moguća je konstrukcija fizičkog AIM računara za obavljanje datih kalkulacija.

Biće potrebno još neko vreme da AIM uređaji počnu da se naširoko koriste kao novi standard za rešavanje optimizacionih problema. Ipak, ako su prvi koraci analognih optičkih računara ovako impresivni, jedva čekamo da vidimo njihovu evoluciju i budućnost.