Slovenski znanstveniki prvi izdelali enega ključnih elementov nove tehnologije

Vsi računalniki – tudi tisti, ki jih imamo doma ali v službi, so energetsko precej potratni.

Lahko si predstavljate, kako potratni so šele superračunalniki, še posebej tisti, ki jih danes uporabljajo v velikih podatkovnih centrih – recimo tistih, v katerih razvijajo umetno inteligenco.

"Povprečen podatkovni center potrebuje med 30–40 MW energije, torej z Jedrsko elektrarno Krško lahko napajamo okoli 20 takšnih centrov," je za N1 pojasnil prof. dr. Igor Muševič z Instituta Jožef Stefan.

Tudi zato si znanstveniki prizadevajo, da bi razvili tehnologije, ki bi to energetsko potratnost zmanjšale.

Namesto elektrike svetloba

Začne se že v mikroprocesorjih, osnovnih gradnikih računalnikov.

V večini današnjih računalnikov mikroprocesorji za prenos informacij uporabljajo elektriko oziroma tok elektronov.

Ta tok pa uravnavajo z elektriko – drugim tokom elektronov. To pa je energijsko zelo potratno.

Že precej dolgo pa vemo, da obstaja način prenosa informacij, ki vse to omogoča – s svetlobo. Optična vlakna, v katerih se prenašajo podatki, so danes nekaj vsakdanjega.

Znanstveniki pa razvijajo tudi sisteme, ki bi tudi v računalnikih informacije prenašali s pomočjo svetlobe.

To so tako imenovana optična mikrovezja.

"Zanimivo je, da se inženirji trudijo nadomestiti vsak centimeter bakrenih vodnikov v podatkovnih centrih s svetlobnimi vlakni, saj to že znatno zmanjša porabo elektrike," je pojasnil profesor Muševič.

"Zamenjava elektrike s svetlobo v mikroprocesorjih pa bi tudi povečala hitrost delovanja procesorjev, ki se je v zadnjih letih ustalila, in na tem področju ni pričakovati napredka brez prehoda na svetlobo," je dodal.

Slovenski preboj

Pri tem pa obstaja več ovir. Ena od teh je, da bi v takih mikrovezjih tok svetlobe morali uravnavati z drugo svetlobo.

"To je v resnici zelo težko," je v pogovoru za televizijo IJS povedal profesor Muševič. "Če si predstavljate, da imate dva svetlobna snopa, enostavno svetita drug skozi drugega – med seboj ne sodelujeta."

Zdaj pa je znanstveni ekipi pod njegovim vodstvom uspel preboj, ki lahko pomeni revolucijo na tem področju.

"V svetu je znanih nekaj primerov svetlobnih vezij, ki delujejo na svetlobo, vendar so vsa do sedaj znana vezja izdelana iz trdne snovi, torej kristalov, najpogosteje iz silicija," je v elektronskem sporočilu za N1 pojasnil profesor Muševič.

Nekatera vezja so uporabila tudi mešanico trdne snovi in polimerov.

"Slovenski znanstveniki pa so prvi na svetu takšno svetlobno vezje izdelali izključno iz tekočih kristalov in polimerov, torej izključno iz "mehke snovi" (angleško "soft matter")," je zapisal.

Natančneje: izdelali so prvi mikrolaser iz tekočih kristalov, ki ima velikost 2 mikrona x 8 mikronov (človeški las ima premer 50 mikronov).

Ta mikrolaser je sposoben v 0,000000001 sekunde (milijardinki sekunde, nanosekundi) s svetlobo zatemniti drugo svetlobo.

In še več, takšen mikrolaser se lahko sestavi sam od sebe v približno sekundi.

"Za ilustracijo naj navedem, da je za izdelavo primerljivega laserja iz trdne snovi potrebno okoli 50 zaporednih postopkov nalaganja tankih plasti, jedkanja in kemijske obdelave, pogosto pri visokih temperaturah.

Prednost uporabe mehke snovi je torej v njenem 'samosestavljanju', po angleško 'self assembly'," je dodal slovenski znanstvenik.

Tehnologija prihodnosti: kako daleč smo?

Svetlobna mikrovezja so torej tehnologija prihodnosti. Kako daleč pa smo v razvoju te tehnologije?

"Razlikujemo dve vrsti svetlobnih mikrovezij," je pojasnil profesor Muševič. Prva so elektrooptična mikrovezja, v katerih tok svetlobe uravnava elektrika.

Z njimi pretvorimo optične signale (svetlobo) v električne signale za uporabo v podatkovnih centrih in obratno, z njimi pretvarjamo električne signale v optične.

Tehnologija teh mikrovezij je že na visoki stopnji razvoja.

"V zadnjih 10 letih so velike države investirale velika sredstva v gradnjo tovarn, podobnim tovarnam polprevodniških električnih mikrovezij.

Na trgu so že tudi izdelki, ki se uporabljajo v optičnih komunikacijah in podatkovnih centrih.

Na ta način so podatkovni centri, v katerih se podatki še vedno obdelujejo v čisto električni obliki, povezani z medmrežjem, ki je v celoti svetlobno-optično," je pojasnil znanstvenik.

Druga vrsta svetlobnih mikrovezij pa za uravnavanje toka svetlobe uporablja svetlobo.

Ta tehnologija je trenutno na ravni demonstracij v laboratorijskem okolju – strokovni izraz za to raven je TRL 3-4 (angleško: Technological Readiness Level – raven tehnološke pripravljenosti).

"Pričakuje se, da bodo ta vezja delovala dosti hitreje, saj ima svetloba za hitrost širjenja manjše omejitve kot elektrika," je razložil profesor Muševič.

"To navsezadnje vidimo pri optičnih vlaknih za medmrežje, kjer je prenos informacij precej hitrejši, kot je bil prenos električnih signalov.

Prav tako se pričakuje, da bo v takšnih vsesvetlobnih vezjih precej manjša tudi poraba energije."

Prihajajo računalniki "na svetlobo" – hitrejši in manj potratni

Bomo torej v prihodnosti imeli "računalnike na svetlobo", ki bodo hitrejši in energetsko veliko manj potratni?

"Tako je, pričakuje se, da bo z nadomeščanjem elektrike s svetlobo predvsem v velikih podatkovnih centrih, kjer se odvija tudi razvoj umetne inteligence, poraba energije precej zmanjšana," je na vprašanje odgovoril profesor Muševič in dodal, da se inženirji že zdaj trudijo nadomestiti vsak centimeter bakrenih vodnikov v podatkovnih centrih s svetlobnimi vlakni, saj to že znatno zmanjša porabo elektrike.

Zamenjava elektrike s svetlobo v mikroprocesorjih bo tudi povečala hitrost delovanja procesorjev, ki se je v zadnjih letih ustalila, in na tem področju ni pričakovati napredka brez prehoda na svetlobo.

Zato lahko pričakujemo tudi, da bodo svetlobna vezja prej ali slej vstopila tudi v naše osebne računalnike.

Razvoj gre namreč v smeri izdelave kompleksnih procesorskih sistemov, ki so digitalni in bodo delovali izključno na svetlobo.

"Realno je pričakovati, da bomo imeli v prihodnosti računalnike na svetlobo, kdaj pa se bo to zgodilo, ni mogoče napovedati," je dodal profesor Muševič in spomnil, da recimo še pred 30 leti nismo imeli pametnih telefonov, optičnega spleta, podatkovnih centrov, umetne inteligence  in ploščatih LCD-ekranov, zdaj pa jih imamo.