Seminário Computador Óptico

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1 Universidade Federal de Minas Gerais Belo Horizonte, 23 de Junho de 2008 Seminário Computador Óptico Organização de Computadores I Bruno Xavier da Silva Diego de Moura Duarte brunoxs@dcc.ufmg.br diegomd@dcc.ufmg.br

2 1 Introdução Em 1965, Gordon Moore elaborou a Lei de Moore, a qual diz que a capacidade de processamento dobraria a cada dois anos enquanto os custos permaneceriam constantes. A miniaturização dos componentes, no entanto, está chegando próxima dos limites físicos do silício, material usado na fabricação dos processadores. Com isso, uma nova tecnologia alternativa tem começado a aparecer: Computação Óptica, que utiliza da luz (fótons) para transporte de dados. A apresentação consistirá em demonstrar as vantagens e desvantagens dessa nova tecnologia, as aplicações onde a sua utilização trará benefícios, em comparação com aquelas em que o seu uso não será viável por diversos fatores. Além disso, explicaremos em linhas gerais o funcionamento do computador óptico. 2 Computador Óptico A medida que o processador se torna mais veloz, suas conexões com a placa-mãe também precisam ser aceleradas. De forma a superar as limitações físicas dos componentes os fabricantes têm planejado utilizar a luz para isso. A Intel já demonstrou conexões ópticas entre chips com velocidades acima de 1 Gbps. Nesses chips, os dados são transmitidos por meio de um feixe de luz. A IBM, que também possui pesquisas semelhantes nessa área, planeja iniciar em 2011 a produção de processadores para servidores com conexões ópticas. Uma possibilidade mais distante é a construção de um processador totalmente óptico. Um avanço nessa área de pesquisa foi divulgado pelos pesquisadores da Universidade de Harvard, nos Estados Unidos. Eles construíram um transistor ópitco que pode ter seu estado alterado de ligado para desligado ou vice-versa por apenas um fóton. Outros circuitos ópticos exigem muitos fótons e, por isso, tem alto consumo de energia o que os torna inviável. Mas esse é apenas o primeiro passo, uma vez que entre construir um transistor e um processador que contêm milhões deles, existe um grande diferença e um longo caminho a ser percorrido. Entre os componentes básicos de um computador ótico podemos citar: Optical Bistable Switches Special Light Modulators (SLM s). 1

3 Optical Bistable Switches: é um componente que possui funcionamento semelhante aos dos transistores, ou seja, de acordo com uma entrada de feixe de luz (no caso dos transistores, seria a voltagem da corrente elétrica), a saída pode possuir dois estados: estável ou instável. Um exemplo, seria um Fabry-Perot-Ressonator: Figura 1: Fabry-Perot-Ressonator - Semelhante a um transistor tradicional Special Light Modulators (SLM s): é um componente análogo aos registradores dos computadores comuns, e também são utilizados para modificar características da luz dependendo da função desejada. Entre as características que podem ser mudadas temos: a fase, a amplitude, a intensidade e a polarização da luz. 3 Vantagens Os computadores ópticos possuem diversas vantagens em relação aos computadores atuais. Entre as quais podemos citar: Os fótons (unidades de informação) não necessitam condução física, propagando-se no espaço livre - Como uma das características da luz, essa não precisa de um meio material para a sua propragação, ao contrário da corrente elétrica, que precisa de um metal para que os elétrons possam se movimentar. Com isso, acaba com a 2

4 dependência de, por exemplo, cobre, deixando o custo do computador menor, além de melhorar a intercomunicação do chip, que não possuirá muitos fios. Sinais ópticos podem propagar através de outros sem interferência - Outra característica da luz é a independência dos raios luminosos. Com isso, uma grande vantagem do computadores ópticos é que podemos colocar uma grande quantidade de comunicações num chip sem nos preocuparmos com a interferência entre eles. Isso novamente reduz custo do computador, e também melhora a eficiência deste. Uma figura comparativa seria: Figura 2: Chaveadores eletrônicos (acima) necessitam três dimensões, mas chaveadores ópticos (abaixo) precisam de apenas duas porque os feixes de luz não interagem entre si Computadores ópticos podem oferecer uma grande largura de banda espacial e temporal - Por trabalhar com elementos ópticos e também com a luz o computador óptico consegue alcançar uma maior velocidade na transmissão de informações e a quantidade de informações armazenadas também é maior. Com isso, estamos melhorando a vazão uma vez que a vazão proporcionada pelos computadores ópticos é bastante superior aos atuais. 3

5 4 Desvantagens Apesar de possuir muitas vantagens, a tecnologia da computação óptica também possui desvantagens. Algumas estão listadas abaixo: Área de pesquisa recente - Por ainda ser uma área de pesquisa que está se desenvolvendo nos últimos anos, existe uma dificuldade de alcançar os níveis de complexidade e integração existente na eletrônica. Como a grande maioria dos componentes eram eletrônicos e essa tecnologia já estava muito avançada, conseguir esse desenvolvimento para a tecnologia óptica não será algo tão trivial ou rápido. Dificuldade de implementação da tecnologia - A implementação da lógica óptica é difícil, pois grande parte dos materiais necessários não estão totalmente desenvolvidos. O caminho até conseguirmos todos os elementos básicos para a construção de um computador óptico é longo e muitos outros problemas ainda estão por vir. Muitas soluções devem ser criadas e testadas até que tenhamos a tecnologia de computação óptica totalmente desenvolvida e funcional. Ausência de sistema de endereçamento e armazenamento óptico - O sistema de endereçamento e armazenamento óptico ainda não foram desenvolvidos. Com isso, é necessário utilizar o armazenamento elétrico que para ser usado necessita de conversores eletro-óptico e óptico-eletro que são muito lentos em relação ao armazenamento totalmente óptico. 5 Aplicações do Computador Óptico O computador óptico possui diversas vantagens em relação aos computadores atuais. Entre as quais podemos citar: Trabalhos que necessitam de um grande tempo de computação - Uma das aplicações possíveis seria a utilização em trabalhos com imagens e vídeos já que existe uma grande dificuldade em trabalharmos com isso em computadores eletrônicos. Assim, cálculos relacionados a imagens e vídeos podem ser obtidos mais eficientemente em um computador óptico. Substituição de dispositivos eletrônicos - Nos computadores eletrônicos temos que cada elemento realiza uma operação o que consome tempo e energia. Enquanto nos computadores ópticos, é possível que 4

6 nem todos os passos sejam armazenados, conseguindo assim um ganho no tempo de execução e economia da energia gasta. Além destas aplicações, quando conseguirmos desenvolver por completo a tecnologia de computação óptica, teremos uma grande variedade de aplicações para estes computadores. Já que esses substituirão parte dos computadores eletrônicos, adquirindo assim todas as aplicações em que eles são utilizados. 6 Avanços Recentes Congelamento da Luz - Cientistas da Universidade de Harvard, Estados Unidos, demonstraram que átomos ultra-frios podem ser utilizados para congelar e controlar a luz. Esta habilidade pode ser aplicada para podermos construir a Unidade Central de Processamento de um computador óptico. A doutora Lene Hau e seu grupo de pesquisa, em 1999, divulgaram que teriam conseguido diminuir a velocidade da luz para algo próximo da velocidade de uma bicicleta. Agora, utilizando a tecnologia dos átomos de sódio ultra-frios, a doutora afirma que conseguiu definitivamnete parar a luz. Com isso, num futuro ainda distante, esse mecanismo poderá ser utilizado como memória de armazenamento em um computador óptico. Isso é possível, pois na Unidade Central de Processamento de um computador óptico, sem a utilização dessa tecnologia a fase e a amplitude do pulso de luz podem ser alteradas, prejudicando os dados armazenados. Com essa nova tecnologia, esse dados podem ser armazenados utilizando um BEC (átomos ultra-frios chamados Condensado de Bose-Einstein), possibilitando que cálculos sejam realizados com dados armazenados nos pulsos de luz. Besouro brasileiro tem a chave para computadores ópticos do futuro - Computadores ópticos ultra-rápidos têm sido um sonho dos cientistas há muito tempo. Mas eles não têm tido sucesso até agora principalmente por não serem capazes de fabricar um cristal fotônico ideal, capaz de manipular a luz visível. Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Utah, nos Estados Unidos, acredita ter encontrado o cristal fotônico ideal já pronto, na natureza. Mais especificamente, na carapaça de um besouro brasileiro, o Lamprocyphus augustus. Agora que encontraram o cristal ideal, além de ter certeza de que ele é viável na prática, os cientistas terão que desenvolver formas de fabricá-lo de forma sintética.os cristais fotônicos são essenciais para a construção de 5

7 circuitos eletrônicos que manipulem os dados por meio de fótons (luz), em vez de elétrons (cargas elétricas). As escamas do besouro não podem ser utilizadas diretamente em aplicações tecnológicas porque elas têm uma composição parecida com nossas unhas, não sendo estáveis o suficiente para usos duradouros, não são semicondutoras e não conseguem curvar a luz de forma adequada. Troca de informações através da luz em chip multicore - Recentemente, a IBM anuciou ter produzido um componente essencial para permitir a construção de interconexões ópticas no interior de um chip, possibilitando assim a construção de chips multicore que favorecem a tecnologia de processamento paralelo. Este componente é uma Chave Óptica de Banda Larga. Os sinais elétricos são convertidos para pulsos de luz, e este componente consegue direcionar o tráfego criado por esta conversão. Como possui vários comprimentos de onda, esse componente também consegue transportar uma grande quantidade de dados, sendo que cada comprimento pode transportar até 40 Gigabits por segundo, ou seja, mais de um Terabyte por segundo para cada chave. 6

8 7 Conclusão Observando as vantagens e aplicações da computação óptica, podemos concluir que esta tecnologia possui grandes perspectivas para o futuro. Conseguimos visualizar, apenas com o início de seu desenvolvimento, o seu enorme potencial e superioridade perante os dispositivos atuais. Com o seu grande ganho de eficiência diante dos componentes eletrônicos, e com a abertura de novas oportunidades de pesquisa e desenvolvimento de tecnologia, a computação óptica possui pela frente um futuro promissor e revolucionário. Referências [1] Romano, G., Artigo: Computação Grande do Sul (UFRGS), Óptica, Universidade Federal do Rio [2] Schnorr, L. M., Artigo: Computação Rio Grande do Sul (UFRGS), Óptica, Universidade Federal do [3] Acesso em 02/06/2008 às 13:40h [4] Acesso em 02/06/2008 às 13:50h 7