Computer ottico: cos'è e come funziona Analog Iterative Machine

Le legge di Moore è da più parti ritenuta ormai defunta. Anche se, come abbiamo evidenziato di recente, l’architettura a chiplet per i microprocessori potrebbe non soltanto riportarla in vita ma renderla di fatto immortale. Per il futuro, l’idea è di realizzare un computer ottico al fine di svincolarsi dall’utilizzo dei transistor e superare così i limiti fisici riscontrati con i moderni processi di miniaturizzazione portati all’estremo.

Microsoft spiega che sta già utilizzando la fotonica per realizzare la sua Analog Iterative Machine (AIM), un sistema che sarà in grado di risolvere problemi specifici.

Computer ottico AIM: cos’è e come migliorerà la risoluzione di una vasta gamma di problemi

AIM è progettata per risolvere difficili problemi di ottimizzazione, che costituiscono la base di molti settori, come finanza, logistica, trasporti, energia, sanità e produzione. I computer tradizionali faticano a risolvere questi problemi in modo rapido, efficiente dal punto di vista energetico ed economico. Perché si approcciano alle problematiche da risolvere, evidentemente, usando solo valori binari.

Un computer ottico è in grado di risolvere una gamma molto più ampia di problemi di ottimizzazione del mondo reale mentre opera alla velocità della luce. Utilizza infatti la luce (fotoni) anziché i tradizionali bit per elaborare e trasmettere le informazioni.

AIM è ancora un progetto di ricerca, ma gli ingegneri di Microsoft hanno recentemente assemblato il primo hardware optoelettronico al mondo destinato alla gestione di problemi di ottimizzazione misti, continui e binari. Sebbene attualmente operi su scala limitata, i risultati iniziali sono promettenti e il gruppo di lavoro ha iniziato a intensificare i propri sforzi.

È stata quindi avviata un’importante collaborazione con la banca multinazionale Barclays per risolvere un problema di ottimizzazione fondamentale per i mercati finanziari. A giugno 2023, il team che si occupa dello sviluppo di AIM, ha lanciato un servizio online che fornisce un simulatore per consentire ai partner di esplorare le opportunità create da questo nuovo computer ottico.

La tecnologia fotonica alla base del funzionamento di AIM

Microsoft spiega che AIM offre accelerazioni nelle elaborazioni superiori a 100 volte rispetto agli approcci digitali all’avanguardia esistenti. La nuova astrazione matematica (chiamata QUMO, quadratic unconstrained mixed optimization) su cui si basa AIM, inoltre, si rivela molto più adatta per la risoluzione di problemi pratici rispetto all’hardware fino ad oggi utilizzato. Inoltre, le tecnologie optoelettroniche di base adottate per sviluppare AIM, hanno un costo basso e sono scalabili.

Parlando di fibra ottica monomodale, utilizzata per collegare gli apparati anche su lunghe distanze e trasportare il segnale, abbiamo visto che essa è largamente utilizzata per trasferire volumi di dati enormi. I fotoni possiedono la straordinaria proprietà di non interagire tra loro. Tuttavia, essi interagiscono con la materia attraverso la quale si propagano, consentendo operazioni lineari come l’addizione e la moltiplicazione, che costituiscono la base per le applicazioni di ottimizzazione. Queste proprietà sono note e sfruttate, per esempio, nei sensori fotografici presenti all’interno dei nostri smartphone: ne parliamo nell’articolo sul mito dei Megapixel.

Perché il calcolo ottico analogico migliorerà la gestione e la risoluzione dei problemi di ottimizzazione

Il calcolo ottico analogico implica quindi la costruzione di un sistema fisico usando una combinazione di tecnologie analogiche, sia ottiche che elettroniche, governate da equazioni che catturano il calcolo richiesto. Microsoft spiega che nei problemi di ottimizzazione, trovare la soluzione ottimale è come scoprire un ago in un pagliaio incredibilmente vasto.

È necessaria l’esecuzione di centinaia di migliaia o addirittura milioni di moltiplicazioni vettore-matrice: i vettori rappresentano le variabili del problema i cui valori devono essere determinati mentre la matrice codifica il problema stesso.

AIM è ospitato in un rack (vedere la figura successiva) e incorpora il problema da risolvere nella matrice di modulazione all’interno del computer stesso. Nella computazione tradizionale, i dati di un problema devono essere spesso trasferiti tra la memoria di archiviazione e i “luoghi” in cui essi sono elaborati. Questo può richiedere un notevole tempo e risorse, specialmente per problemi complessi.

Inoltre, poiché la luce viaggia alla velocità di 5 nanosecondi per metro, ogni iterazione all’interno del computer ottico AIM risulta significativamente più rapida e consuma meno energia elettrica rispetto all’esecuzione dello stesso algoritmo su un computer digitale. Infine, il funzionamento di AIM è completamente asincrono.

Tutte scelte architettoniche in grado di eludere i principali storici colli di bottiglia dell’informatica tradizionale.

Gli esperti possono fare riferimento all’articolo Analog Iterative Machine (AIM): using light to solve quadratic optimization problems with mixed variables che fornisce maggiori dettagli sull’architettura AIM, sulla sua implementazione, valutazione e dimensionamento.

Le immagini pubblicate nell’articolo sono tratte dal post di presentazione del progetto AIM (Microsoft).