Optischer Prozessor: Forscher speichern Licht - über 500 Schreibzyklen möglich
Forschern ist es gelungen, Lichtsignale in einer kleinen Polymer-Matrix zu speichern. Auf dem Weg zu optischen Prozessoren könnte das wichtig werden, bis dahin ist es aber noch ein weiter Weg.
Die Berechnungen in einem Prozessor werden durch Ladungsaustausch ermöglicht. Strom fließt auf das Gate eines Transistors, dadurch wird dieser leitend und kann wiederum Strom an weitere Transistoren leiten. Ähnliches ist auch mit Licht möglich - durch Lichtsignale können Schaltelemente durchscheinendes Licht passieren lassen oder verändern. Theoretisch könnte man also optische Prozessoren bauen, und tatsächlich existieren auch entsprechende Produkte. Letztes Jahr zeigte beispielsweise Microsoft einen entsprechenden Aufbau, der in manchen Anwendungen Vorteile bieten soll.
Licht schreiben und lesen
Von einem verbreiteten Einsatz sind optische Prozessoren aber noch weit entfernt. Das liegt unter anderem an mangelnden, optischen Speichermöglichkeiten: Diese sind bislang meist zu langsam, sodass man hier auf eine elektrische Speicherung zurückgreift. Forschern der Universitäten in Bayreuth und in Melbourne ist diesbezüglich nun aber ein Fortschritt gelungen: Sie können Lichtsignale speichern - und das verhältnismäßig schnell.
"Schnell" ist dabei aber im Kontext der optischen Speicherung zu sehen. Laut dem auf Wiley veröffentlichten Paper gelang es den Forschern, mit Lichtsignalen Buchstaben innerhalb weniger Sekunden auf eine Polymer-Matrix zu schreiben und zu lesen. Gegenüber bisherigen Ansätzen ist das offenbar ein deutlicher Fortschritt, moderne Rechenleistungs-Ansprüche können damit aber natürlich keineswegs gedeckt werden. Dafür ist zudem auch die Speicherdichte und die Haltbarkeit zu gering. Eine einzelne "Speicherzelle" auf dem Polymer belegt offenbar 5x5 µm, und bei 500 Schreibzyklen wurde noch keine Verschlechterung der Signalqualität festgestellt.
Passend zum Thema: [PLUS] Glasfaserleitungen im Detail: Potenziale und Probleme
Trotzdem hoffen die Forscher, dass der neue Ansatz ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu optischen Berechnungen sein könnte. Dabei ist zu bedenken, dass optische Prozessoren nicht zwangsläufig moderne Rechenleistungen erreichen müssen, um relevant zu werden. In besonderen Anwendungsgebieten könnte es beispielsweise ausreichen, sich durch eine hohe Störresistenz oder eine hohe Energieeffizienz abzuheben.
Werden optische Prozessoren bald tauglich für den Massenmarkt, oder bleiben sie in der Nische? Nutzen Sie die Kommentarfunktion und teilen Sie uns Ihre Meinung mit. Zum Kommentieren müssten Sie auf PCGH.de oder im Extreme-Forum eingeloggt sein. Sollten Sie noch keinen Account haben, könnten Sie über eine Registrierung nachdenken, die viele Vorteile mit sich bringt. Beachten Sie beim Kommentieren aber bitte die gültigen Forenregeln.
Quelle: Phys.org via Tom's Hardware
Der Speicher funktioniert, indem man manche Speicherzellen stärker fluoreszent macht. Es wird also Licht gespeichert, indem es in die Fähigkeit zum Zurückleuchten umgewandelt wird. Deshalb muss man die Zellen zum Lesen wieder anleuchten - sonst könnte kein Licht zurückkommen
Wellenlängenmultiplexing: Bei Glasfaserleitungen ist man afair gerade bei 80 Kanälen, die gleichzeitig pro Faser übertragen werden. Das ist aber weit komplexer als einfach nur "reinleuchten, fertig". Ich verweise da mal auf meinen Plus-Artikel
Ich Noobel hab dazu jetzt einfach mal Prof. Dr. Dr. ChatGPT befragt:
Frage:
Heißt Fluoreszenz, dass Licht "gespeichert" wird, bzw. ist das technisch so korrekt?
Antwort:
Nein, bei der Fluoreszenz wird Licht nicht „gespeichert“ im technischen Sinne, sondern es handelt sich um einen Prozess, bei dem Licht (in Form von Photonen) absorbiert und dann nahezu unmittelbar (innerhalb von Nanosekunden) wieder emittiert wird.
Genauer gesagt: Ein Material absorbiert Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich (typischerweise im ultravioletten oder sichtbaren Bereich) und regt dadurch seine Elektronen an. Diese Elektronen springen auf ein höheres Energieniveau. Wenn die Elektronen wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren, geben sie die aufgenommene Energie in Form von Licht ab. Dieses emittierte Licht hat in der Regel eine längere Wellenlänge (also eine geringere Energie) als das absorbierte Licht. Dies ist der Grund, warum Fluoreszenz häufig bei Licht im sichtbaren Bereich beobachtet wird, auch wenn das absorbierte Licht ultraviolett ist.
Der Unterschied zwischen Fluoreszenz und Phosphoreszenz liegt unter anderem darin, dass bei der Fluoreszenz diese Energie fast sofort wieder abgegeben wird (innerhalb von Nanosekunden), während bei der Phosphoreszenz die Emission über längere Zeiträume, manchmal sogar Minuten oder Stunden, erfolgt. Phosphoreszenz könnte man eher als „Lichtspeicherung“ beschreiben.
Zusammengefasst: Bei der Fluoreszenz wird das Licht nicht „gespeichert“, sondern direkt nach der Absorption wieder abgegeben.
Keine Ahnung ob und inwiefern das jetzt auf diesen "optischen Prozessor" zutrifft, zumal es sich für mich eher nach nem Speicher anhört. Aber wie gesagt, ich nix Ahnung.
Edit:
Und wo ich den Prof. Dr. Dr. gerade eh in der Leitung habe:
Frage: Was ist ein optischer Prozessor
Antwort:
Ein optischer Prozessor ist ein Gerät, das Licht (Photonen) anstelle von Elektrizität (Elektronen) verwendet, um Informationen zu verarbeiten. Anders als herkömmliche elektronische Prozessoren, die auf elektrischen Strömen basieren, arbeiten optische Prozessoren mit Lichtsignalen, typischerweise durch den Einsatz von Laserstrahlen oder optischen Fasern. Diese Technologie hat das Potenzial, viele der Einschränkungen herkömmlicher Elektronik zu überwinden, insbesondere im Hinblick auf Geschwindigkeit und Energieeffizienz.
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Verarbeitung mit Licht: Anstatt elektrischer Signale werden Lichtimpulse verwendet, um Daten zu übertragen und logische Operationen auszuführen.
Photonen statt Elektronen: Während Elektronen in Kupferleitungen oder Siliziumchips die Daten in elektronischen Prozessoren transportieren, übernehmen Photonen (Lichtteilchen) diese Aufgabe im optischen Prozessor.
Optische Schaltkreise: Diese bestehen aus speziellen Materialien und Komponenten wie Wellenleitern, Lasern, optischen Fasern und anderen photonischen Bauteilen, die die Lichtsignale leiten und manipulieren können.
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Geschwindigkeit: Licht bewegt sich mit der maximal möglichen Geschwindigkeit (Lichtgeschwindigkeit), was es theoretisch ermöglicht, Informationen schneller zu verarbeiten als mit elektrischen Signalen.
Geringer Energieverbrauch: Da Lichtwellen weniger Energie verlieren als elektrische Ströme in Widerständen, könnten optische Prozessoren effizienter arbeiten.
Keine elektromagnetischen Interferenzen: Optische Signale sind weniger anfällig für elektromagnetische Störungen, was eine stabilere Datenübertragung ermöglicht.
Parallele Datenverarbeitung: Licht kann auf verschiedenen Wellenlängen gleichzeitig übertragen werden (Wellenlängenmultiplexing), was zu einer höheren Datenkapazität und paralleler Verarbeitung führt.
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Miniaturisierung: Es ist schwierig, die Komponenten eines optischen Prozessors so klein zu machen wie elektronische Schaltkreise.
Integration: Optische Systeme müssen mit bestehenden elektronischen Systemen kombiniert und integriert werden, da die meisten bestehenden Computertechnologien auf Elektronik basieren.
Materialien: Die Herstellung von Materialien, die in der Lage sind, Lichtsignale effizient zu steuern und zu verarbeiten, ist technisch herausfordernd.
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Optische Prozessoren könnten in Bereichen wie supercomputing, künstlicher Intelligenz, Datenzentren und Telekommunikation eine Rolle spielen, wo extrem schnelle und effiziente Datenverarbeitung benötigt wird.
Zusammengefasst ist ein optischer Prozessor ein potenzieller Durchbruch in der Rechen- und Informationstechnologie, der Licht als Medium zur Datenverarbeitung verwendet und Vorteile in Bezug auf Geschwindigkeit, Energieeffizienz und Kapazität gegenüber herkömmlichen elektronischen Prozessoren bieten könnte.
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Ok, klingt definitiv nach "will ich haben", aber leider irgendwie auch nach "werd ich nicht mehr erleben"...
Edit2:
Speziell den Punkt "Wellenlängenmultiplexing" find ich ja interessant. Heißt, man könnte quasi mehrere (aktuell so genannte) Datenpins einer CPU zusammenfassen, korrekt? Kann jemand aus der Hüfte schießen, wie viele aktuelle Datenpins man so ungefähr mittels Wellenlängenmultiplexing über einen "optischen Pin" übertragen könnte? Faktor 10? Oder vielleicht auch Faktor 100?
[Ins Forum, um diesen Inhalt zu sehen] wo bist du, wenn man (ich) dich braucht!
Edit3:
Ok, jetzt bin ich im "Rabbit Hole".
Frage:
Wie viele Datenpins aktueller CPUs könnte man, speziell mittels Wellenlängenmultiplexing, ungefähr durch einen "optischen Pin" ersetzen?
Kurze Antwort:
Wenn wir 16 Gbps pro elektrischen Pin als Referenz nehmen, könnte ein einzelner optischer Datenpin mit WDM etwa 50-mal bis 500-mal so viele Daten transportieren wie ein einzelner elektrischer Datenpin, je nachdem, wie viele Wellenlängen und welche Übertragungsrate pro Wellenlänge verwendet werden.
Komplette Antwort:
Um die Anzahl der Daten, die über einen einzelnen optischen Datenpin mittels Wellenlängenmultiplexing (Wavelength Division Multiplexing, WDM) im Vergleich zu den Datenpins (Kontakten) einer aktuellen CPU transportiert werden könnten, zu vergleichen, muss man einige grundlegende Überlegungen berücksichtigen:
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Moderne CPUs wie die Intel Core- oder AMD Ryzen-Prozessoren haben Tausende von Pins (z.B. der AMD Ryzen 9 7950X hat 1718 Pins). Nicht alle diese Pins sind für Datenübertragungen da; einige sind für Stromversorgung, Masse, Steuerungs- und Adressleitungen verantwortlich.
Die tatsächlichen Datenpins moderner CPUs (für Speicher- und Datenbusse) haben Übertragungsraten von mehreren Gigabit pro Sekunde (Gbps) pro Pin. Zum Beispiel kann ein einzelner PCIe-4.0-Pin Daten mit etwa 16 Gbps transportieren.
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Bei optischen Verbindungen ist die Datenrate pro Wellenlänge ebenfalls im Bereich von mehreren 10 Gbps bis 100 Gbps oder sogar mehr, abhängig von der Technologie. Im Jahr 2023 kann ein einzelner optischer Kanal (eine Wellenlänge) in einem Hochgeschwindigkeitsnetzwerk leicht 100 Gbps erreichen. Optische Transceiver wie die in Datenzentren verwendeten Module (z.B. QSFP28) bieten Übertragungsraten von 100 Gbps pro Wellenlänge.
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Beim Wellenlängenmultiplexing (WDM) können mehrere Wellenlängen (jedes mit eigener Datenlast) über ein einzelnes optisches Kabel oder Pin gleichzeitig transportiert werden. Moderne WDM-Systeme können bis zu 80 bis 160 Wellenlängen gleichzeitig nutzen, wobei jede Wellenlänge eine Übertragungsrate von 10 bis 100 Gbps haben kann. In der Telekommunikation gibt es Systeme, die sogar 400 Gbps pro Wellenlänge erreichen.
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Ein elektrischer Datenpin kann je nach Technologie etwa 16 Gbps transportieren.
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Ein optischer Datenpin könnte mit einem 10-Gbps-Standard pro Wellenlänge und 80 Wellenlängen (typisch für dichte WDM-Systeme, DWDM) theoretisch 800 Gbps transportieren.
Mit einer moderneren 100-Gbps-Wellenlänge und 80 Wellenlängen wären es bis zu 8 Terabit pro Sekunde (Tbps).
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Wenn wir 16 Gbps pro elektrischen Pin als Referenz nehmen, könnte ein einzelner optischer Datenpin mit WDM etwa 50-mal bis 500-mal so viele Daten transportieren wie ein einzelner elektrischer Datenpin, je nachdem, wie viele Wellenlängen und welche Übertragungsrate pro Wellenlänge verwendet werden.
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Ein einzelner optischer Datenpin mit Wellenlängenmultiplexing (WDM) könnte die Datenmenge von Dutzenden bis Hunderten elektrischer Datenpins ersetzen. Während ein elektrischer Pin derzeit etwa 16 Gbps transportiert, könnte ein optischer Pin leicht zwischen 800 Gbps und mehreren Tbps transportieren, abhängig von der Anzahl der Wellenlängen und der Übertragungsrate pro Wellenlänge. Dies macht optische Verbindungen zu einer äußerst vielversprechenden Technologie für zukünftige Hochgeschwindigkeits-Datenverbindungen in CPUs und anderen Rechensystemen.
Also DAS find ich interessant, nicht ob man einen Buchstaben auf irgendeine "Plastikfolie" gelötet hat.
Elektroingenieur hier^^ Hatte zwar alle Optik-Vorlesungen, aber das Gebiet ist zu klein um relevant zu sein. Daher: Nicht mein Fachgebiet, aber ich versuch mal mein Glück.
Der Photoelektrische Effekt ist mMn nicht das Besondere an dem Speicher.
Wenn ich das Paper richtig verstehe - wie gesagt: nicht mein Gebiet - dann strahlt man die Speicherzellen mit dem richtigen UV-Licht an, um sie stärker fluoreszent zu machen. Wenn man dann mit sichtbarem Licht darauf strahlt, leuchten manche Gebiete stark zurück (1), und andere nur schwach (0). Durch das Anleuchten geht die starke Fluoreszenz aber zunehmend verloren, sie dürfte also nach ein paar Lesezyklen eine Auffrischung benötigen.
Schreiben:
- Mit sichtbarem Licht bestrahlen, bis nichts mehr stark leuchtet (Alles auf 0)
- Mit UV-Licht die Zellen bestrahlen, die stärker leuchten sollen (Manche auf 1)
Lesen:
- Mit sichtbarem Licht bestrahlen und schauen, was zurück leuchtet
- Wenn man zu oft gelesen hat: Gleich wieder neu beschreiben
Elektroingenieur hier^^ Hatte zwar alle Optik-Vorlesungen, aber das Gebiet ist zu klein um relevant zu sein. Daher: Nicht mein Fachgebiet, aber ich versuch mal mein Glück.
Der Photoelektrische Effekt ist mMn nicht das Besondere an dem Speicher.
Wenn ich das Paper richtig verstehe - wie gesagt: nicht mein Gebiet - dann strahlt man die Speicherzellen mit dem richtigen UV-Licht an, um sie stärker fluoreszent zu machen. Wenn man dann mit sichtbarem Licht darauf strahlt, leuchten manche Gebiete stark zurück (1), und andere nur schwach (0). Durch das Anleuchten geht die starke Fluoreszenz aber zunehmend verloren, sie dürfte also nach ein paar Lesezyklen eine Auffrischung benötigen.
Schreiben:
- Mit sichtbarem Licht bestrahlen, bis nichts mehr stark leuchtet (Alles auf 0)
- Mit UV-Licht die Zellen bestrahlen, die stärker leuchten sollen (Manche auf 1)
Lesen:
- Mit sichtbarem Licht bestrahlen und schauen, was zurück leuchtet
- Wenn man zu oft gelesen hat: Gleich wieder neu beschreiben
Ein Physiker oder Elektroingeneur kann es bestimmt erklären.