Cuando el pionero informático alemán Konrad Zuse construyó la primera computadora programable del mundo en Berlín en tiempos de guerra, realizaba aritmética de punto flotante a una velocidad de reloj de entre 5 y 10 Hz. La máquina se consideró innecesaria para el esfuerzo bélico alemán y nunca se utilizó para los cálculos cotidianos. En 1943, fue destruido durante un ataque aéreo aliado. Sin embargo, el Z3, como se le llamó, le dio a Zuse un fuerte derecho a ser el inventor de la computadora moderna.
Después de la guerra, la velocidad del reloj de las computadoras aumentó exponencialmente, de acuerdo con la Ley de Moore. Cada aumento trajo nuevas aplicaciones que van desde sistemas de guía hasta pantallas de computadora, gráficos de alta resolución y más.
En 2005, los chips de computadora funcionaban mil millones de veces más rápido que el Z3 en la región de 5 GHz. Pero luego el progreso se estancó. Hoy en día, los chips de última generación todavía funcionan a alrededor de 5 GHz, un cuello de botella límite que ha restringido significativamente el progreso en campos que requieren un procesamiento de datos ultrarrápido.
Procesamiento ultrarrápido
Ahora parece que eso va a cambiar gracias al trabajo de Gordon Li y Midya Parto del Instituto de Tecnología de California en Pasadena, y sus colegas, que han diseñado y probado una computadora totalmente óptica capaz de alcanzar velocidades de reloj superiores a 100 GHz. “La computadora totalmente óptica realiza operaciones lineales, funciones no lineales y memoria completamente en el dominio óptico con velocidades de reloj > 100 GHz”, dicen. Su trabajo allana el camino para una nueva era de informática ultrarrápida con aplicaciones en campos que van desde el procesamiento de señales hasta el reconocimiento de patrones y más.
La velocidad del reloj de un chip coordina las operaciones secuenciales en todo el dispositivo y, en última instancia, gobierna la rapidez con la que una computadora puede ejecutar instrucciones. Históricamente, el aumento de la velocidad del reloj se traducía directamente en una informática más rápida. Pero con el cambio de milenio, los fabricantes de chips comenzaron a darse cuenta de que este aumento no podía continuar.
El estancamiento se debió a dos factores principales. Primero, el desglose del escalamiento de Dennard, que postulaba que a medida que los transistores se contraen, la densidad de potencia permanece constante. Eso permitió que los chips fueran más rápidos sin aumentar el consumo de energía. Pero esta escala se rompió porque los transistores más rápidos y más pequeños permitieron que se filtrara más corriente, lo que provocó que el consumo de energía se disparara. Esto obligó a los fabricantes de chips a mantener constantes las velocidades de reloj.
El segundo problema fue el llamado cuello de botella de von Neumann, que es un límite a la velocidad a la que los datos pueden viajar entre la memoria y el procesador. Este cuello de botella impidió que se explotaran velocidades de reloj más rápidas y obligó a los diseñadores de chips a avanzar hacia diseños paralelos, como los procesadores multinúcleo comunes en la actualidad.
Sin embargo, con velocidades de reloj estancadas, los chips no han podido abordar las necesidades de aplicaciones que exigen procesamiento en tiempo real en escalas de tiempo de picosegundos o más rápidas. “Esto plantea un problema difícil de resolver para las aplicaciones que requieren procesamiento o control en tiempo real de sistemas de información ultrarrápidos”, afirman Li, Parto y compañía.
El nuevo diseño es una versión simple totalmente óptica de un tipo de circuito conocido como red neuronal recurrente. Consiste en una capa de entrada que recibe una señal, una cavidad óptica que actúa como una segunda capa que contiene bucles de retroalimentación (o bucles recurrentes) que pueden modificarse para cambiar el comportamiento del dispositivo y una capa de salida que produce el resultado de este cálculo. La cavidad óptica también actúa como una memoria a medida que la señal recircula a través de los bucles recurrentes.
La belleza del diseño totalmente óptico es que la velocidad de cálculo está determinada por la velocidad de la luz y la frecuencia de los pulsos ópticos. “La frecuencia de reloj efectiva es equivalente a la frecuencia de repetición del pulso del láser”, dicen. “Utilizamos el concepto de período de reloj para referirnos al tiempo mínimo entre operaciones sucesivas de la computadora”.
Los investigadores utilizan su dispositivo para demostrar una serie de tareas estándar para una red neuronal, como clasificar la forma de las ondas ópticas, predecir el siguiente valor en una serie de tiempo dados los valores anteriores y generar imágenes por difusión. Pero el avance clave es la capacidad de realizar estas tareas a velocidades de hasta 100 GHz.
Decisiones en una fracción de segundo
El equipo dice que su enfoque tiene numerosas aplicaciones. “Creemos que las aplicaciones más útiles a corto plazo para este tipo de ordenador óptico ultrarrápido serán aquellas en las que la señal de entrada se produzca de forma nativa en el dominio óptico, evitando así la necesidad de generar una señal de entrada electroóptica”, afirman.
Los ejemplos incluyen imágenes ultrarrápidas, procesamiento de señales ópticas para telecomunicaciones de alta velocidad, medición de precisión utilizando láseres de femtosegundo y comercio de alta velocidad. Más allá de eso, la IA generativa podría aprovechar estos sistemas para crear simulaciones de alta fidelidad o realizar inferencias ultrarrápidas en escenarios que requieren decisiones en fracciones de segundo, como los vehículos autónomos.
Y el equipo dice que su procesador podría hacerse más rápido. La configuración experimental actual se basa en componentes ópticos a granel, que aún no son adecuados para una integración a gran escala. La transición a implementaciones a escala de chip utilizando materiales como niobato de litio de película delgada podría permitir sistemas compactos y escalables.
“Nuestros resultados resaltan el potencial de la informática totalmente óptica más allá de lo que se puede lograr con la electrónica digital”, afirman Li, Parto y compañía. “Este trabajo destaca un nuevo régimen para la computación óptica ultrarrápida, que permite aplicaciones incipientes que requieren procesamiento de información en tiempo real y control de retroalimentación en escalas de tiempo de picosegundos”.
¡Zuse seguramente quedaría impresionado!
Ref: Computación totalmente óptica con velocidades de reloj superiores a 100 Ghz: arxiv.org/abs/2501.05756