Os supercomputadores do futuro podem ser feitos com transistores ópticos
No futuro, as CPUs poderão ser maiores do que hoje – e isso é uma boa notícia. Avanços conseguidos no campo da óptica podem permitir CPUs com mais transistores, mas de menor densidade.
Os supercomputadores ópticos, máquinas híbridas eletrônico-ópticas, são um desejo antigo dos pesquisadores, mas esses conceitos sempre estiveram muito mais no campo teórico do que prático. No entanto, os últimos estudos nessa área mostram que estamos cada vez mais perto do início dessa era.
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Por que a computação óptica é o futuro?
A principal propriedades que faz com que os computadores ópticos se tornem atrativos é a velocidade: a luz pulsa na velocidade da luz e isso significa algo mais rápido do que as máquinas atuais. Para se ter uma ideia, falamos de 10-15 de segundo (são os chamados femtosegundos).
A lógica é a seguinte: a luz carregaria a informação, mas as transições seriam realizadas eletronicamente, devido ao menor gasto energético (luz mudando a luz é algo dispendioso do ponto de vista energético). A corrente gerada seria então usada para modular outro sinal óptico, criando assim um transistor óptico.
Materiais capazes de absorver a luz e criar elétrons são geralmente grandes, o que requereria capacitores maiores, do ponto de vista dos elétrons. A resposta eletrônica é limitada ao tempo que leva para carregar e descarregar o capacitor. O mesmo ocorre quando se trata de modular o fluxo de luz.
Porém, a vantagem da forma eletrônica é o menor custo energético. Enquanto um transistor no chip usa cerca de 10-15 femtojoule de energia por bit, um sistema óptico demandaria milhares de vezes mais. É por essa razão que, em se tratando de supercomputadores (larga escala), faz sentido pensar em modelos híbridos.
O fim dos capacitores
As últimas pesquisas relacionadas ao tema podem ter resolvido o problema dos limites dos capacitores, o que significaria levar os benefícios da computação óptica para os chips.
Para isso, um grupo de pesquisadores utilizou cristais fotônicos. A luz que viaja e tenta atravessá-los se depara com uma barreira e por meio de pequenos buracos se dispersa. Independentemente da direção que a luz vá ela encontrará outra onda similar. A barreira de cristais fotônicos funciona como um espelho perfeito.
Utilizando-se materiais capazes de absorver a luz, foi possível finalmente gerar grandes quantidades de elétrons. Isso transforma os guias de onda em um fotodiodo de alta velocidade. Assim, em testes, foi possível transferir informações e velocidades de até 40 Gb/s.
Além da transmissão de dados
Os pesquisadores, então, foram além de “simplesmente” transmitir dados: eles criaram um dispositivo com esse fotodiodo e cercaram-no com um material ativo esburacado, criando uma espécie de laser. A região em questão é eletricamente conectada ao fotodiodo. A combinação de fotodiodos com um modulador faz com que o conjunto funcione como um transistor óptico. Os pesquisadores descobriram ser possível modular o sinal a velocidades de 10 Gb/s, o que é quase a taxa padrão para comunicações ópticas.
Apesar de todas essas conquistas e avanços, isso não significa que teremos acesso à computação óptica tão cedo. O próximo passo e tornar os sistemas híbridos mais eficientes e estáveis. Os pesquisadores sugerem que o transistor óptico seria muito útil para manter a coerência entre caches em CPUs de múltiplo núcleos.
Isso também significa que os chips vão ficar maiores. Em um futuro não tão distante, fará sentido mover certas funções para unidades computacionais baseadas nesses transistores ópticos híbridos, mas nem todos eles. Para se ter uma ideia, se um processador Core i7 (1,9 bilhões de transistores) fosse implementado opticamente, o chip teria uma área de 48 m2.
O equilíbrio entre velocidade, potência e tamanho precisará ser cuidadosamente considerado ao combinar óptica e eletrônica. Esse é um desafio cujos próximos capítulos ainda devem demorar para acontecer.
