Photonica: De Lichten Zet een Nieuwe Standaard in Computatie
In een wereld waar de Moore-wet zijn kracht verliest en transistors de fysieke grenzen naderen, zoekt de technologie-industrie naar nieuwe manieren om rekencapaciteit te vergroten. Terwijl kwantumcomputers veel aandacht krijgen vanwege hun disruptieve potentieel, hebben fotonische processors — die licht in plaats van elektriciteit gebruiken — een cruciale stap gezet: ze kunnen nu conventionele taken uitvoeren met een vergelijkbare prestatie als actuele CPU’s.
Onlangs hebben twee onafhankelijke doorbraken de aandacht van de wetenschappelijke gemeenschap getrokken. Het Singaporese bedrijf Lightelligence heeft aangetoond dat hun procesor PACE (Photonic Arithmetic Computing Engine) problemen van Ising kan oplossen, die veelvuldig worden gebruikt in logistieke en optimalisatieapplicaties. Evenzo heeft het Amerikaanse Lightmatter taken voor tekstgeneratie uitgevoerd met de AI BERT op hun fotonische chip Envise.
Beide gevallen markeren een keerpunt: voor het eerst bewijzen fotonische chips niet alleen hun waarde in experimentele toepassingen, maar beginnen ze ook hun levensvatbaarheid in de dagelijkse computatie aan te tonen.
Wat is een fotonische processor?
In tegenstelling tot traditionele CPU’s, die informatie verwerken door de beweging van elektronen door transistors, gebruiken fotonische processors fotonen — lichtdeeltjes — om gegevens te coderen en te verzenden. Deze technologie is niet nieuw; glasvezel, dat veelvuldig in telecommunicatie wordt gebruikt, transporteert al informatie via lichtpulsen. Het integreren van deze capaciteit binnen een computerchip is echter een enorme uitdaging die nu begint te worden overwonnen.
Belangrijke voordelen van fotonische chips
De voordelen van lichtverwerking tegenover elektriciteit zijn talrijk:
- Snelheid: Fotonen bewegen zich sneller dan elektronen, wat de latentie drastisch vermindert.
- Energie-efficiëntie: Aangezien ze niet worden geconfronteerd met de weerstand van materialen, genereren fotonen veel minder warmte, waardoor het energieverbruik wordt verminderd en de koelbehoeften worden geminimaliseerd.
- Gegevensdichtheid: De technologie maakt parallelle kanalen en een grotere bandbreedte mogelijk, waardoor de verzending van grote hoeveelheden informatie zonder knelpunten wordt vergemakkelijkt.
Volgens onderzoekers van de Columbia Universiteit maken recente vorderingen in geïntegreerde fotonische chips die zijn gecombineerd met traditionele CMOS-circuits snelheden van tot 800 Gb/s mogelijk met dichtheden van 5,3 Tb/s/mm², een aanzienlijke sprong voor toepassingen in kunstmatige intelligentie en high-performance computing.
Van concepten naar de markt
Hoewel ze nog niet klaar zijn om conventionele CPU’s te vervangen, zijn de eerste commerciële toepassingen van fotonische processors dichtbij. Het PACE-model van Lightelligence kan al op elke pc worden geïnstalleerd via een PCIe-kaart. De eerste praktische toepassingen worden verwacht op specifieke gebieden van versnelling, zoals AI-inferentie, logistieke optimalisatie of signaalverwerking.
Bo Peng, oprichter van Lightelligence, zegt: “We bevinden ons in de pre-productiefase en verwachten de eerste echte implementaties in de komende maanden.” Hun strategie is om fotonische chips aan te bieden als coprocessoren die samenwerken met traditionele CPU’s, waardoor specifieke lasten worden verlicht en de algehele systeemefficiëntie verbetert.
Een ecosysteem in opbouw
Naast Lightelligence en Lightmatter wint de geïntegreerde fotonica-sector wereldwijd aan kracht. Materialen zoals indiumfosfide (InP), siliconennitride (SiN) en fotonische siliciumplatformen (SiPh) maken de fabricage van optische componenten mogelijk die kunnen worden geïntegreerd met conventionele elektronica.
Onderzoekscentra zoals de Universiteit van Californië in Santa Barbara, het Eindhoven University of Technology en de Technische Universiteit van Denemarken hebben baanbrekende resultaten geboekt, waaronder het verzenden van 1,84 petabits per seconde op een enkele fotonische chip, een wereldrecord.
Fotonica beperkt zich bovendien niet tot computertechnologie; het wordt al toegepast in de geneeskunde (optische diagnostiek zonder invasie), landbouw (sensoren voor het detecteren van ziekten in gewassen) en de auto-industrie (LIDAR en voertuig-infrastructuurcommunicatie via licht).
Fotonica vs. kwantumcomputing: rivaliteit of coëxistentie?
Hoewel beide technologieën zich richten op het overschrijden van de grenzen van traditionele computing, zijn fotonische en kwantumprocessoren gebaseerd op heel verschillende principes. Terwijl kwantumcomputers gebruikmaken van superpositie en verstrengeling om informatie probabilistisch te verwerken, steunen fotonische chips op meer conventionele fysica en zijn ze gemakkelijker te integreren in huidige computing-omgevingen.
Veel experts voorzien daarom een toekomst waarin beide technologieën naast elkaar bestaan: kwantumcomputing voor zeer gespecialiseerde problemen en fotonica om gegevensintensieve taken binnen bestaande infrastructuren te versnellen.
Een toekomst die steeds dichterbij komt
Met de eerste echte tests die zijn doorstaan en toonaangevende bedrijven die aan de commercialisering werken, betreedt fotonische computing een nieuwe fase. De uitdaging nu is om de productie te industrialiseren, kosten te verlagen en compatibele software-ecosystemen op te bouwen die ontwikkelaars in staat stellen om het volledige potentieel van deze technologie te benutten.
Ondertussen blijven elektronische CPU’s hun rol vervullen, maar hun heerschappij begint tekenen van veroudering te vertonen. Als de vooruitgang van fotonica zijn huidige tempo aanhoudt, zouden we wel eens getuige kunnen zijn van de grootste revolutie in de recente geschiedenis van de computertechnologie.
“Licht, net zoals het de telecommunicatie heeft getransformeerd, zou weleens de sleutel kunnen zijn tot de volgende grote sprong in de computing.”