Du ser det, då hör du det:ljus och ljud färdas i olika hastigheter. Kredit:Reeva/shutterstock
Ljus färdas snabbt – ibland lite för snabbt när det kommer till databehandling.
Publicerad idag, vår artikel beskriver en ny design av minneschip som gör att vi tillfälligt kan bromsa ner ljuset till en hanterbar hastighet för bättre kontroll över datorbehandling.
Ljuspaket lagrades framgångsrikt som höga ljudvågor – cirka 1, 000 gånger högre än ultraljud – i en tråd på ett mikrochip. Cirka 100 gånger tunnare än ett människohår, de små trådarna var designade för att styra ljusvågor såväl som högfrekventa ljudvågor, känt som hyperljud.
Det är första gången detta har uppnåtts.
Fördröjningen av det överförda informationspaketet orsakas av den stora skillnaden i färdhastighet mellan ljus och ljud. Detta är något vi upplever varje gång vi försöker avgöra hur långt ett åskväder är ifrån oss genom att räkna sekunderna mellan blixten och åskan.
Varför vi använder ljus i datorer
Idag använder även små bärbara datorer flera processorer, såsom dubbla eller fyrkärniga. Detta är ännu tydligare i högpresterande maskiner, superdatorer eller stora datacenter. Att dela upp beräkningar mellan flera processorer är ett sätt att förbättra prestanda, känd i datorspråk som parallell beräkning.
Denna parallellisering, dock, väcker nya frågor:de olika kärnorna måste prata med varandra och prestera synk, som en stor orkester. Här börjar elektroniken nå sina gränser. Kopplingarna mellan processorerna lider av förluster och producerar värme. Detta är huvudorsaken till att din bärbara dator blir varm.
I industriell skala, värmen blir nästan ohanterlig. Bara förra månaden kom det ett tillkännagivande om att bygga världens största datacenter inom polcirkeln, för att komma till rätta med värmeproblemet i dessa centra.
Optiska länkar mellan processorer kan hjälpa till att lösa detta problem:data kodad som lätta paket kan ge stora bandbredder, höga hastigheter och producerar inte värme.
En välsignelse och en förbannelse
Även om ljusets hastighet är av stor fördel när du skickar data över internet över hela världen, det är en riktig utmaning att bemästra på ett litet chip.
Ljus färdas 300 meter på bara en miljondels sekund. För att skapa en anslutning mellan olika processorer, vi behöver ett sätt att stoppa eller fördröja ljuset vid tillfällen då den mottagande processorn fortfarande är upptagen. Med andra ord, vi behöver en buffert för lätta paket på ett chip.
Den nya chipdesignen, visas bredvid en australisk 50-centsbit. Kredit:University of Sydney
Men att buffra den optiska datan i vanliga chipdesigner för elektroniskt minne resulterar i förlust av hastighet och bandbredd.
Vår nya forskning visar alla egenskaper hos en ljusvåg – dvs. ljusstyrka, färg och fas – kan överföras till en hyperljudvåg, och genom att göra det kan buffras.
En anledning till de höga datahastigheterna som uppnås med ljus ligger i dess förmåga att transportera data samtidigt vid olika våglängder, eller färger. Att använda flera färger är som att öppna ytterligare körfält på en fullsatt motorväg.
Vad vi upplever som olika färg när det gäller ljus är en annan tonhöjd för en ljudvåg. Vi visar att olika färger kan lagras som ljudvågor med olika tonhöjd, och viktigast av allt kan otvetydigt identifieras efteråt.
Ett ljuspaket omvandlas till en ljudvåg när det rör sig genom chipet, och sedan tillbaka till ljuset när det kommer ut. Kredit:University of Sydney
Ljudvågor för att lagra information
De grundläggande funktionsprinciperna för vår nya design – som har ett fenomen som kallas fördröjningslinjeminne – är följande:
Denna process liknar driften av de första datorerna som byggdes i början av 1900-talet. Här lagrades information tillfälligt i ljudvågor som fortplantade sig i kvicksilverrör medan processorerna var upptagna.
Så när datorchips når sina prestandagränser, den gamla idén med ett delay line-baserat minne som använder ljudvågor firar en comeback. Den här gången är det inte i skrymmande kvicksilverrör, men små ljustrådar på ett mikrochip som klarar av att bearbeta mycket mer data.
Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.