Contornando a lei de Moore com computadores fotônicos de alta velocidade
O PAXEL, um novo tipo de dispositivo de circuito integrado fotônico que usa uma nova arquitetura de computação, mostra promessas para computação de alta velocidade e economia de energia.
Um grupo de pesquisadores no Japão desenvolveu um novo tipo de processador conhecido como PAXEL, um dispositivo que pode potencialmente ignorar a Lei de Moore e aumentar a velocidade e a eficiência da computação. O PAXEL, que significa acelerador fotônico, é colocado na extremidade frontal de um computador digital e otimizado para executar funções específicas, mas com menos consumo de energia do que o necessário para dispositivos totalmente eletrônicos.
Transistores de efeito de campo semicondutores de óxido de metal são a base para a maioria dos circuitos eletrônicos integrados, mas são limitados pela Lei de Moore, que diz que o número de chips de microprocessador em um único circuito eletrônico dobrará a cada dois anos. Há um limite inerente a isso, no entanto, com base na maneira como o tamanho dos chips do microprocessador se relaciona com a natureza mecânica quântica dos elétrons.
É possível superar parcialmente o problema da Lei de Moore usando processamento paralelo, no qual vários processadores executam cálculos simultâneos. Essa abordagem, no entanto, não funciona para todos os aplicativos.
Pesquisadores no Japão desenvolveram um tipo de processador chamado PAXEL, um dispositivo que pode potencialmente ignorar a Lei de Moore e aumentar a velocidade e a eficiência da computação. Na APL Photonics, os pesquisadores analisaram o uso da luz na etapa de transporte de dados em circuitos integrados, uma vez que os fótons não estão sujeitos à Lei de Moore. Em vez de circuitos eletrônicos integrados, muitos novos desenvolvimentos agora envolvem circuitos integrados fotônicos. O acelerador PAXEL adota essa abordagem e usa nanofotônicos com eficiência de energia. Esta imagem mostra a evolução e os gargalos dos circuitos eletrônicos integrados para computação digital, computação em nuvem versus nevoeiro e uso de dispositivos PAXEL. Crédito: Ken-ichi Kitayama
Em um artigo na APL Photonics, da AIP Publishing, os pesquisadores analisaram outra técnica para usar a luz na etapa de transporte de dados em circuitos integrados, uma vez que os fótons não estão sujeitos à Lei de Moore. Em vez de circuitos eletrônicos integrados, muitos novos desenvolvimentos agora envolvem circuitos fotônicos integrados (PICs). O acelerador PAXEL adota essa abordagem e usa nanofotônicas com baixo consumo de energia, que são PICs muito pequenas.
As nanofotônicas, como as usadas no PAXEL, operam na velocidade da luz e podem realizar cálculos de maneira analógica, com dados mapeados nos níveis de intensidade da luz. Multiplicações ou acréscimos são então realizados variando a intensidade da luz. Os investigadores consideraram diferentes arquiteturas do PAXEL para uma variedade de usos, incluindo redes neurais artificiais, computação de reservatório, lógica de passagem, tomada de decisão e sensor de compressão.
Uma aplicação particularmente interessante do PAXEL está na chamada computação de neblina. É como a computação em nuvem, mas usa recursos computacionais (servidores) próximos ao local onde o evento de origem ocorre. Um PAXEL compacto conectado a um tablet ou outro dispositivo portátil pode detectar sinais e transmitir as informações através de um link sem fio 5G para recursos de computação em nevoeiro próximos para análise de dados.
As aplicações desta nova tecnologia são esperadas em uma ampla gama de áreas, incluindo testes no ponto de atendimento médico e veterinário, diagnósticos, testes de drogas e alimentos e biodefesa. À medida que mais dispositivos domésticos e comerciais são conectados pela Web, será necessária uma melhor capacidade de computação, incluindo transporte de dados com maior eficiência energética. Espera-se que avanços como o PAXEL ajudem a atender a essas necessidades.
Referência: “Nova fronteira da fotônica para processamento de dados: acelerador fotônico” de Ken-ichi Kitayama, Masaya Notomi, Makoto Naruse, Koji Inoue, Satoshi Kawakami e Atsushi Uchida, 24 de setembro de 2019, APL Photonics.
By AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS