जब जर्मन कंप्यूटर अग्रणी कोनराड ज़ूस ने युद्ध के समय बर्लिन में दुनिया का पहला प्रोग्रामयोग्य कंप्यूटर बनाया, तो उसने 5 और 10 हर्ट्ज के बीच की घड़ी की गति पर फ्लोटिंग पॉइंट अंकगणित का प्रदर्शन किया। मशीन को जर्मन युद्ध प्रयासों के लिए अनावश्यक माना गया और रोजमर्रा की गणना के लिए इसका कभी भी उपयोग नहीं किया गया। 1943 में मित्र देशों के हवाई हमले के दौरान इसे नष्ट कर दिया गया था। फिर भी, Z3, जैसा कि इसे कहा जाता था, ने Zuse को आधुनिक कंप्यूटर का आविष्कारक होने का मजबूत दावा दिया।
युद्ध के बाद, मूर के नियम के अनुरूप, कंप्यूटर की घड़ी की गति तेजी से बढ़ गई। प्रत्येक वृद्धि ने मार्गदर्शन प्रणालियों से लेकर कंप्यूटर डिस्प्ले से लेकर उच्च रिज़ॉल्यूशन ग्राफिक्स और बहुत कुछ तक नए अनुप्रयोग लाए।
2005 तक, कंप्यूटर चिप्स 5GHz के क्षेत्र में Z3 की तुलना में एक अरब गुना तेज चल रहे थे। लेकिन फिर प्रगति रुक गई. आज, अत्याधुनिक चिप्स अभी भी लगभग 5GHz पर काम करते हैं, एक सीमा बाधा जिसने अल्ट्राफास्ट डेटा प्रोसेसिंग की आवश्यकता वाले क्षेत्रों में प्रगति को काफी हद तक प्रतिबंधित कर दिया है।
अल्ट्राफास्ट प्रसंस्करण
अब यह बदलने के लिए तैयार है, जिसका श्रेय पासाडेना में कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में गॉर्डन ली और मिद्या पार्टो और उनके सहयोगियों को जाता है, जिन्होंने 100 गीगाहर्ट्ज से अधिक की घड़ी की गति में सक्षम एक ऑल-ऑप्टिकल कंप्यूटर का डिजाइन और परीक्षण किया है। वे कहते हैं, “ऑल-ऑप्टिकल कंप्यूटर 100 गीगाहर्ट्ज़ क्लॉक रेट के साथ पूरी तरह से ऑप्टिकल डोमेन में लीनियर ऑपरेशंस, नॉनलाइनियर फ़ंक्शंस और मेमोरी का एहसास करता है।” उनका काम सिग्नल प्रोसेसिंग से लेकर पैटर्न पहचान और उससे आगे के क्षेत्रों में अनुप्रयोगों के साथ अल्ट्राफास्ट कंप्यूटिंग के एक नए युग का मार्ग प्रशस्त करता है।
एक चिप की घड़ी की गति पूरे डिवाइस में अनुक्रमिक संचालन का समन्वय करती है और अंततः यह नियंत्रित करती है कि कंप्यूटर कितनी तेजी से निर्देशों को निष्पादित कर सकता है। ऐतिहासिक रूप से, बढ़ती हुई घड़ी की गति का सीधे तौर पर तेज़ कंप्यूटिंग में अनुवाद किया गया है। लेकिन सहस्राब्दी के मोड़ पर, चिप निर्माताओं को यह एहसास होने लगा कि यह वृद्धि जारी नहीं रह सकती।
ठहराव दो प्राथमिक कारकों के कारण था। सबसे पहले, डेनार्ड स्केलिंग का टूटना, जिसने बताया कि जैसे-जैसे ट्रांजिस्टर सिकुड़ते हैं, बिजली घनत्व स्थिर रहता है। इससे बिजली की खपत बढ़ाए बिना चिप्स को तेज़ होने की अनुमति मिल गई थी। लेकिन यह स्केलिंग टूट गई क्योंकि तेज़, छोटे ट्रांजिस्टर ने अधिक करंट लीक होने दिया, जिससे बिजली की खपत बढ़ गई। इसने चिप निर्माताओं को घड़ी की गति स्थिर रखने के लिए मजबूर किया।
दूसरी समस्या तथाकथित वॉन न्यूमैन बॉटलनेक थी, जो मेमोरी और प्रोसेसर के बीच डेटा की गति की एक सीमा है। इस अड़चन ने तेज घड़ी की गति का फायदा उठाने से रोका और चिप डिजाइनरों को आजकल आम मल्टी-कोर प्रोसेसर जैसे समानांतर डिजाइन की ओर बढ़ने के लिए मजबूर किया।
फिर भी, स्थिर घड़ी की गति के साथ, चिप्स पिकोसेकंड या तेज़ टाइमस्केल पर वास्तविक समय प्रसंस्करण की मांग करने वाले अनुप्रयोगों की जरूरतों को पूरा करने में असमर्थ रहे हैं। ली, पार्टो और कंपनी का कहना है, “यह वास्तविक समय प्रसंस्करण या अल्ट्राफास्ट सूचना प्रणालियों के नियंत्रण की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए एक कठिन समस्या पैदा करता है।”
नया डिज़ाइन एक प्रकार के सर्किट का एक सरल ऑल-ऑप्टिकल संस्करण है जिसे आवर्ती तंत्रिका नेटवर्क के रूप में जाना जाता है। इसमें एक इनपुट परत होती है जो सिग्नल प्राप्त करती है, एक ऑप्टिकल कैविटी जो फीडबैक लूप (या आवर्तक लूप) वाली दूसरी परत की तरह काम करती है जिसे डिवाइस के व्यवहार को बदलने के लिए संशोधित किया जा सकता है और एक आउटपुट परत होती है जो इस गणना का परिणाम उत्पन्न करती है। ऑप्टिकल कैविटी भी मेमोरी की तरह काम करती है क्योंकि सिग्नल आवर्ती लूप के माध्यम से पुन: प्रसारित होता है।
ऑल-ऑप्टिकल डिज़ाइन की सुंदरता यह है कि गणना की गति प्रकाश की गति और ऑप्टिकल दालों की आवृत्ति से निर्धारित होती है। वे कहते हैं, “प्रभावी घड़ी दर लेजर पल्स पुनरावृत्ति दर के बराबर है।” “हम घड़ी की अवधि की अवधारणा का उपयोग क्रमिक कंप्यूटर संचालन के बीच न्यूनतम समय के लिए करते हैं।”
शोधकर्ता तंत्रिका नेटवर्क के लिए कई मानक कार्यों को प्रदर्शित करने के लिए अपने डिवाइस का उपयोग करते हैं, जैसे कि ऑप्टिकल तरंगों के आकार को वर्गीकृत करना, पिछले मूल्यों को देखते हुए समय श्रृंखला में अगले मूल्य की भविष्यवाणी करना और प्रसार द्वारा छवियां उत्पन्न करना। लेकिन मुख्य सफलता इन कार्यों को 100 गीगाहर्ट्ज़ तक की गति से करने की क्षमता है।
विभाजित-द्वितीय निर्णय
टीम का कहना है कि उनके दृष्टिकोण के कई अनुप्रयोग हैं। “हमारा मानना है कि इस तरह के अल्ट्राफास्ट ऑप्टिकल कंप्यूटर के लिए सबसे उपयोगी निकट अवधि के अनुप्रयोग वे होंगे जिनमें इनपुट सिग्नल मूल रूप से ऑप्टिकल डोमेन में होता है, इसलिए इलेक्ट्रो-ऑप्टिक इनपुट सिग्नल पीढ़ी की आवश्यकता को दरकिनार कर दिया जाता है,” वे कहते हैं।
उदाहरणों में अल्ट्राफास्ट इमेजिंग, हाई-स्पीड टेलीकॉम के लिए ऑप्टिकल सिग्नल प्रोसेसिंग, फेमटोसेकंड लेजर का उपयोग करके सटीक रेंज और हाई-स्पीड ट्रेडिंग शामिल हैं। इसके अलावा, जेनरेटर एआई उच्च-निष्ठा सिमुलेशन बनाने या स्वायत्त वाहनों जैसे विभाजित-दूसरे निर्णयों की आवश्यकता वाले परिदृश्यों में अल्ट्राफास्ट अनुमान लगाने के लिए इन प्रणालियों का लाभ उठा सकता है।
और टीम का कहना है कि उनके प्रोसेसर को तेज़ बनाया जा सकता है। वर्तमान प्रायोगिक सेटअप थोक ऑप्टिकल घटकों पर निर्भर करता है, जो अभी तक बड़े पैमाने पर एकीकरण के लिए उपयुक्त नहीं हैं। पतली-फिल्म लिथियम नाइओबेट जैसी सामग्रियों का उपयोग करके चिप-स्केल कार्यान्वयन में परिवर्तन कॉम्पैक्ट, स्केलेबल सिस्टम को सक्षम कर सकता है।
ली, पार्टो और सह-कहते हैं, “हमारे परिणाम डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ हासिल की जा सकने वाली क्षमता से परे ऑल-ऑप्टिकल कंप्यूटिंग की क्षमता को उजागर करते हैं।” “यह कार्य अल्ट्राफास्ट ऑप्टिकल कंप्यूटिंग के लिए एक नई व्यवस्था पर प्रकाश डालता है, जो पिकोसेकंड टाइमस्केल पर वास्तविक समय सूचना प्रसंस्करण और फीडबैक नियंत्रण की आवश्यकता वाले उभरते अनुप्रयोगों को सक्षम बनाता है।”
ज़ूस निश्चित रूप से प्रभावित होंगे!
संदर्भ: 100-गीगाहर्ट्ज से अधिक क्लॉक दरों के साथ ऑल-ऑप्टिकल कंप्यूटिंग: arxiv.org/abs/2501.05756
