全光通用CPU和光计算机架构
An all-optical general-purpose CPU and optical computer architecture

原始链接: https://arxiv.org/abs/2403.00045

这篇题为“An All-Optical General-Purpose CPU and Optical Computer Architecture”的研究文章发表在 arXiv 的“新兴技术”类别下。 它通过提出一种实现全光学通用计算机架构的创新方法,为数字计算中的能源效率问题提供了突破性的解决方案。 该技术用快速高效的光通信系统取代了传统上依赖电子通信的长距离和本地芯片互连。 该研究揭示了创建有效全光电路的设计原理,并展示了此类芯片在使用经典程序进行测试时的功能。 这篇文章由迈克尔·基斯纳和其他四人撰写,包括十页的摘要和图表。 它的出版预示着未来技术发展的重大突破。

讨论图 4 中概述的限制,特别是由于“非辐射弛豫过程”的存在而与传统数字技术相比可实现的计算效率,与同类技术相比,这似乎显着限制了集成非线性光学电路的速度和功能 在传统 CMOS 架构中设计的电路。 分析这些限制对于未来旨在推进利用这些技术的实用全光计算平台的开发的影响。 在前面讨论的论文中,利用集成非线性光学电路实现计算效率的局限性主要与称为“非辐射弛豫过程”的现象有关,与相应的数字电路相比,这种现象会导致显着的损耗和功能下降 在传统 CMOS 架构内构建。 这些损耗机制的产生是由于在整个非线性光电路中光信号的操作和传输期间与材料吸收特性、能级和寿命特性相关的问题。 如图 4 所示,在利用这些技术实施全光计算方法时,这最终会导致可实现的工作频率和功能密度低得多。 此外,这一限制凸显了在开发实用全光计算系统方面的一些实际影响和仍然存在的挑战。 具体来说,它强调了在以下领域持续改进的至关重要性和相关性: 1. 材料选择和优化,以提高非线性光学响应效率并减少与非辐射弛豫过程相关的损耗。 2. 开发替代耦合策略,以最大限度地减少能量损失并通过非线性光路提高光信号的整体传输效率。 3. 优化电路拓扑和设计,以最大化操作带宽并促进增加功能密度。 此外,本研究中发现的局限性强调了持续需要探索将非线性光学电路集成到现有和新兴数字基础设施中的替代方法,特别是随着对更高计算效率和提高能源效率的日益增长的需求给高技术领域带来了压力。性能计算。 通过识别这些限制并探索新颖的解决方案来规避它们,非线性光学领域的科学家和工程师可以帮助推动实用全光计算系统的开发,该系统能够提供相对于可比较的数字方法相当或更好的计算能力,同时提供 显着提高能源效率和性能可扩展性的额外好处。
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原文

[Submitted on 29 Feb 2024]

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Abstract:Energy efficiency of electronic digital processors is primarily limited by the energy consumption of electronic communication and interconnects. The industry is almost unanimously pushing towards replacing both long-haul, as well as local chip interconnects, using optics to drastically increase efficiency. In this paper, we explore what comes after the successful migration to optical interconnects, as with this inefficiency solved, the main source of energy consumption will be electronic digital computing, memory and electro-optical conversion. Our approach attempts to address all these issues by introducing efficient all-optical digital computing and memory, which in turn eliminates the need for electro-optical conversions. Here, we demonstrate for the first time a scheme to enable general purpose digital data processing in an integrated form and present our photonic integrated circuit (PIC) implementation. For this demonstration we implemented a URISC architecture capable of running any classical piece of software all-optically and present a comprehensive architectural framework for all-optical computing to go beyond.
From: Leonardo Del Bino [view email]
[v1] Thu, 29 Feb 2024 15:49:25 UTC (2,392 KB)
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