Czy będziemy liczyć za pomocą światła?

Czy moc obliczeniowa komputerów osiąga już teraz swego rodzaju granicę? Jest to tak ważne zagadnienie, że różne jego aspekty omawiam w kilku innych miejscach tej książki. Tutaj chcę powiedzieć o pewnej szczególnej strategii zwiększania mocy obliczeniowej komputerów i szczególnej technologii nadającej się do tego prawie idealnie. Strategia ta nazywana jest obliczeniami równoległymi; odpowiednią technologią jest komputer optyczny.

Kiedy zwykły komputer zajmuje się takim problemem, jak analiza obrazu, postępuje w prosty, logiczny sposób. Zaczyna badać kropkę, powiedzmy, w górnym lewym rogu, następnie przesuwa się dalej i analizuje drugą kropkę w pierwszym rzędzie, trzecią i tak dalej, aż opracuje w ten sposób wszystko do prawego dolnego rogu. W tym systemie, zwanym obliczeniami szeregowymi, cała moc obliczeniowa maszyny poświęcona jest każdemu fragmentowi problemu z osobna, krok po kroku. Poza kilkoma ważnymi wyjątkami wszystkie dzisiejsze komputery działają w ten sposób – czy analizują obraz, czy przeprowadzają złożone obliczenia matematyczne.

Jednym z powodów, dla których mózg ludzki jest o wiele lepszy w analizie obrazów niż najpotężniejsze komputery, jest fakt, że nie działa sekwencyjnie. Rzeczywiście, z tego, co wiemy na temat procesu widzenia człowieka, wynika, że stosuje on zupełnie inną strategię – różne części obrazu analizowane są równocześnie przez wiele małych „komputerów”, których wyniki przesyłane są do analizy na następny poziom. Nazywa się to obliczeniami równoległymi i jest jedną z ważniejszych strategii przyspieszenia pracy komputerów.

Zwykle komputery krzemowe można tak przerobić, by działały w trybie równoległym – na rynku są już wersje takich maszyn. Główny problem stanowi to, że dzieląc zadanie na małe części, a następnie przeprowadzając te fragmenty przez różne partie maszyny, trzeba zużyć dużo czasu, aby zapewnić odpowiednią regulację ruchu – upewniając się, czy część A zakończy obliczenia, zanim część B będzie potrzebowała wyników, i tak dalej. Niektórzy informatycy przewidują, że komputery krzemowe, stosujące obliczenia równoległe, będą mogły przeprowadzić pod koniec wieku bilion operacji na sekundę (rodzaj świętego Graala w grze komputerowej).

W 1990 roku do wyścigu obliczeń równoległych wkroczył nowy czarny koń. W maszynie tej, zwanej komputerem optycznym, jako środka komunikacji użyto nie prądu elektrycznego, ale promieni świetlnych. Głównym elementem roboczym komputera optycznego jest mikroskopijny słupek szklany, zawierający warstwy półprzewodników. Promień lasera oświetla słupek i uwalnia elektrony, które zostają wychwycone w półprzewodnikach. W zależności od mocy sygnału laserowego, elektrony zmieniają słupek w półprzezroczysty bądź w nieprzezroczysty. Następnie układ ten oświetlany jest mocniejszym światłem lasera, które albo odbija się silnie (od półprzezroczystego słupka), albo słabo (od słupka nieprzezroczystego). Ten odbity sygnał stanowi jeden bit informacji cyfrowej – tak lub nie, włączone lub wyłączone. Odbijający słupek odgrywa w komputerze optycznym tę samą rolę, co tranzystor w maszynie krzemowej (przypomnijmy, tranzystor działa jak przełącznik – albo przepuszcza przez siebie prąd, albo go blokuje).

Prototypem elementu komputera optycznego byłby układ tysięcy słupków na szklanej płycie, wraz z soczewkami skupiającymi światło laserów – jeden zestaw laserów dla każdego położenia na płycie. W ten sposób równoległość stanowi nieodłączną cechę komputera optycznego, ponieważ zawsze jest wiele operacji zachodzących w tym samym czasie. Komputer naturalnej wielkości działałby prawdopodobnie na zasadzie przepuszczania światła przez wiele takich płyt, a następnie odczytywania natężenia światła promieni laserowych wychodzących z drugiej strony, podobnie jak zwykłe komputery odczytują prąd elektryczny. Zwolennicy tej technologii wierzą, że już na przełomie wieku będą mieć taki działający układ.

Jest wiele powodów, by wierzyć, że komputery optyczne będą odgrywały w naszej przyszłości dużą rolę. Aby podać tylko jeden przykład: gdy inżynierowie wytwarzają coraz mniejsze procesory, zaczynają popadać w poważne tarapaty związane z naturą elektronów. Jeśli prąd elektryczny przepływa przez dwa przewody będące bardzo blisko siebie (co musi zachodzić w ultraminiaturowych układach), wówczas elektrony w jednym przewodzie zaczynają wpływać na te w drugim. To ogranicza przepływ informacji w komputerze prawie w ten sam sposób, jak tunel czy most ograniczają ruch uliczny w mieście. Natomiast promienie świetlne mogą wędrować obok siebie, a nawet przecinać się bez wzajemnego wpływu. Tak więc, skoro nasze komputery stają się coraz lepsze, mogą również zacząć się bardzo różnić od tych, których używamy obecnie.