Vida artificial torna-se hardware ideal para computação fotônica

Com informações do Caltech - 31/07/2023

Na fotônica, os autômatos são representados por pulsos de luz, o que torna tudo muito rápido.
[Imagem: Nicolle R. Fuller/Sayo Studio]

Computação com vida artificial

A busca interminável por computadores menores, mais rápidos e que possam fazer mais levou os fabricantes a projetar transistores cada vez menores, que agora estão embutidos nos processadores às dezenas de bilhões.

Até agora essa tática tem funcionado, mas os limites já estão à vista: Os transistores de silício tradicionais só podem ser miniaturizados até um limite, devido a dificuldades na fabricação desses componentes que têm, em alguns casos, apenas algumas dezenas de átomos de largura.

Em resposta, os pesquisadores começaram a desenvolver tecnologias de computação, como os computadores quânticos, que não dependem dos transistores de silício. Outra linha de pesquisa é a computação fotônica, que usa luz no lugar da eletricidade, semelhante à forma como os cabos de fibra óptica substituíram os fios de cobre nas redes de computadores.

Numa linha derivada desses processadores de luz, a equipe do professor Alireza Marandi, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, está usando hardware óptico para criar autômatos celulares, um tipo de modelo de computador que consiste em um "mundo" - uma área gradeada - contendo "células" - cada quadrado da grade - que podem viver, morrer, se reproduzir e evoluir para criaturas multicelulares, com seus próprios comportamentos únicos.

Esses autômatos têm sido usados para realizar cálculos, a exemplo do que vem acontecendo com outras abordagens alternativas de computação, como a computação com materiais não-vivos.

A novidade da pesquisa da equipe do professor Marandi é que eles estão demonstrando que os autômatos são ideais para implementação com as tecnologias fotônicas porque eles podem ser encarados como modelos computacionais.

"Se você comparar uma fibra óptica com um cabo de cobre, poderá transferir informações muito mais rapidamente com uma fibra óptica," explica Marandi. "A grande questão é se podemos utilizar essa capacidade de informação da luz para computação, em vez de apenas comunicação. Para lidar com esta questão, estamos particularmente interessados em pensar sobre arquiteturas de hardware de computação não-convencionais, que são mais adequadas para fotônica do que para eletrônica digital."

A implementação da equipe leva o conceito do Jogo da Vida de Conway a um novo patamar.
[Imagem: Gordon H. Y. Li et al. - 10.1038/s41377-023-01180-9]

Jogo da Vida da computação

Para entender o hardware projetado pelo grupo de Marandi, é importante entender o que são e como funcionam os autômatos celulares.

É mais útil pensar neles como células simuladas que seguem um conjunto muito básico de regras - cada tipo de autômato tem seu próprio conjunto de regras). Dessas regras simples podem emergir comportamentos incrivelmente complexos. Um dos autômatos celulares mais conhecidos, chamado O Jogo da Vida ou Jogo da Vida de Conway, foi desenvolvido pelo matemático inglês John Conway, em 1970. Ele possui apenas quatro regras que são aplicadas a uma grade de células que podem estar "vivas" ou "mortas".

Essas regras são:

• Qualquer célula viva com menos de dois vizinhos vivos morre, por subpopulação.
• Qualquer célula viva com mais de três vizinhos vivos morre, por superlotação.
• Qualquer célula viva com dois ou três vizinhos vivos vive para a próxima geração.
• Qualquer célula morta com exatamente três vizinhos vivos ganhará vida, como se fosse por reprodução.

Um computador executando O Jogo da Vida aplica repetidamente essas regras ao mundo em que as células vivem, em intervalos regulares, sendo cada intervalo considerado uma geração. Dentro de algumas gerações, essas regras simples levam as células a se organizarem em formas complexas, com nomes evocativos como pão, colmeia, sapo e espaçonave.

Este é o processador de autômatos, já integrado, sendo o componente principal desta nova abordagem de computação.
[Imagem: Gordon H. Y. Li et al. - 10.1038/s41377-023-01180-9]

Autômatos celulares

Autômatos celulares básicos, ou "elementares", como O Jogo da Vida, atraem pesquisadores que trabalham com matemática e teoria da ciência da computação, mas eles também podem ter aplicações práticas. Alguns dos autômatos celulares elementares podem ser usados para geração de números aleatórios, simulações físicas e criptografia. Outros são computacionalmente tão poderosos quanto as arquiteturas de computação convencionais - pelo menos em princípio.

De certa forma, esses autômatos celulares orientados a tarefas são semelhantes a uma colônia de formigas, na qual as ações simples de formigas individuais se combinam para realizar ações coletivas maiores, como cavar túneis ou coletar comida e levá-la de volta ao formigueiro. Autômatos celulares mais avançados, que possuem regras mais complicadas - embora ainda baseadas em células vizinhas -, podem ser usados para tarefas práticas de computação, como identificar objetos em uma imagem.

Isto já é feito em modelos de software, mas se for feito por hardware, e com um hardware que funciona à velocidade da luz, então as coisas ficam muito interessantes muito rapidamente.

"Embora estejamos fascinados com o tipo de comportamento complexo que podemos simular com um hardware fotônico relativamente simples, estamos realmente entusiasmados com o potencial dos autômatos celulares fotônicos mais avançados para aplicações práticas de computação," disse Marandi.

Esquema do computador fotônico construído pela equipe.
[Imagem: Gordon H. Y. Li et al. - 10.1038/s41377-023-01180-9]

Ideal para computação fotônica

O professor Marandi diz que os autômatos celulares são adequados para a computação fotônica por algumas boas razões. Como o processamento de informações ocorre em um nível extremamente local (lembre-se de que, nos autômatos celulares, as células interagem apenas com seus vizinhos imediatos), isso elimina a necessidade de grande parte do hardware que dificulta a computação fotônica: as várias portas lógicas, interruptores e componentes necessários para mover e armazenar informações baseadas em luz. E a natureza de alta largura de banda da computação fotônica significa que os autômatos celulares podem funcionar incrivelmente rápido.

Na computação tradicional, os autômatos celulares podem ser projetados em uma linguagem de computador, que é construída sobre outra camada de linguagem de máquina abaixo dela, que fica no topo dos zeros e uns binários que compõem a informação digital.

Em contraste, no dispositivo de computação fotônica construído pela equipe de Marandi, as células do autômato celular são apenas pulsos ultracurtos de luz, que podem permitir uma operação até três ordens de magnitude (10³) mais rápida do que os computadores digitais mais rápidos. À medida que esses pulsos de luz interagem uns com os outros em uma grade de hardware, eles podem processar informações sem serem retardados por todas as camadas subjacentes à computação tradicional.

Em essência, os computadores tradicionais executam simulações digitais de autômatos celulares, mas o hardware da equipe executa autômatos celulares reais.

"A natureza ultrarrápida das operações fotônicas, e a possibilidade de realização de autômatos celulares fotônicos dentro de um chip, podem levar a computadores de próxima geração, que poderão executar tarefas importantes com muito mais eficiência do que os computadores eletrônicos digitais," concluiu Marandi.

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