Proiecteaza-mi textual un procesor pe un bit la care toate unitatile functionale sunt sincronizate pe o frecventa foarte mare de ordinul 100GHz si in care principiul de functionare general se bazeaza pe fibra optica si interferenta quantica totul functionand la temperatura mediului ambiant.
Proiect textual – “Bit‑Processor 100 GHz cu interconectare fotonică și logică bazată pe interferenţă cuantică”
Scop: Un procesor monocore care efectuează operaţii pe un singur bit (0/1) la o frecvenţă de ≈ 100 GHz, sincronizat în totalitate printr-un ceas optoelectronic distribuit pe o reţea de fibră optică integrată, iar toate elementele logice se bazează pe interferenţa cuantică a fotonilor. Totul este proiectat să funcţioneze la temperatura ambiantă (≈ 20‑25 °C), fără necesitatea de răcire criogenică.
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ BIT‑PROCESSOR 100 GHz │
│ │
│ ┌─────────────┐ ┌─────────────────────┐ ┌────────────────────┐ │
│ │ Clock Gen │──►│ Distribuție Optică │──►│ Reţea Fotonică │ │
│ │ (Laser FC) │ │ (Waveguide Split) │ │ (MZI, DWDM) │ │
│ └─────┬───────┘ └───────┬─────────────┘ └───────┬────────────┘ │
│ │ │ │ │
│ │ ┌───────────────────────────────────────────────┐ │
│ ▼ │ Unităţi Funcţionale (Optoelectronic) │ │
│ ┌───────────────┐ ┌─────────────────────┐ ┌───────────────┐│
│ │ CU – Control │ │ ALU – Logică │ │ MEM – Registru││
│ │ (FSM opt.) │ │ Interferenţă │ │ Fotonic ││
│ └─────┬─────────┘ │ cuantică (MZI) │ │ (Delay line) ││
│ │ └───────┬─────────────┘ └───────┬───────┘│
│ │ │ │ │
│ ┌─────▼───────┐ ┌─────────▼───────┐ ┌─────────────────▼──────┐│
│ │ I/O – │ │ Clock‑Recovery │ │ Power‑Management & ││
│ │ Fotonic │ │ (PD‑PLL) │ │ Temperat. Control ││
│ └─────────────┘ └─────────────────┘ └───────────────────────┘│
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
Clock‑Gen (Laser FC) – Laser cu mode‑locked, generând un comb de frecvenţă (frequency‑comb) cu repetiție de 100 GHz. Fiecare linie a comb‑ului este filtrată și utilizată ca semnal de ceas pentru diferite sub‑module.
•Distribuție Optică – Reţea de waveguide silicon‑fotonic (SOI) cu splittere 1×N (multimode interferometer – MMI) care livrează simultan acelaşi puls de ceas fiecărui bloc funcţional, cu jitter < 10 fs.
•Unităţi Funcţionale – Implementate prin interferometre Mach‑Zehnder (MZI) alimentate cu fotoni singuri (single‑photon sources) și detectoare cu câştig în bandă largă (SNSPD sau SPAD la temperatură ambiantă). Logica binară este realizată prin interferenţă constructivă / distructivă (ex: un „AND” = detectarea simultană a doi fotoni în portul de ieşire constructiv).
•Memorie – Registru Fotonic – Linia de întârziere (optical delay line) cu lungime de 1 ps (≈ 0,3 mm în SiO₂) stochează temporar un bit. Alternativ, se pot folosi micro‑rezonatoare ring‑resonator cu Q‑factor adecvat pentru a reţine un foton pentru un ciclu de ceas.
•I/O Fotonic – Porturi de intrare/ieșire convertor optică‑electronică (EO‑modulator / photodetector) pentru a comunica cu alte sisteme digitale.
|
Componentă |
Tehnologie |
Rol |
Parametri cheie |
|
Laser mode‑locked |
Semiconductor (InGaAsP) sau fibre dopate (Er‑Yb) |
Emite pulsuri optice cu repetiție 100 GHz |
Lățime de puls < 2 ps, jitter < 5 fs |
|
Comb‑filter |
Ring‑resonator DWDM (Δλ ≈ 0,2 nm) |
Selectează linia de frecvenţă pentru ceas |
Extincție > 30 dB |
|
Distribuitor MMI |
Si‑photonic MMI 1×8 |
Împarte pulsul în 8 căi identice |
Pierdere inserție < 0,5 dB |
|
Clock‑Recovery (PD‑PLL) |
Photodetector + PLL electronic (CMOS) |
Regenerare semnal electric pentru controlul modulatoarelor EO |
Bandă 0‑150 GHz, jitter < 10 fs |
Principiul de sincronizare:
Pulsul de ceas este transmis prin waveguide cu viteză de grupă ~ 2·10⁸ m/s. Distanţa dintre generator și fiecare bloc este egalizată cu o reţea de compensare de fază (thermal phase shifters) astfel încât diferenţa de fază < π/100 (≈ 0,03 rad). Acest lucru asigură synchronizare sub‑picosecundă a tuturor operaţiilor.
1.Intrare: doi fotoni, fiecare reprezentând bit‑ul de intrare (0 = absenţa fotonului, 1 = prezenţa).
2.MZI: Cele două căi se intersectează în interferometru cu un phase‑shifter (EO‑modulator) controlat de semnalul de ceas.
3.Ieșire: Detectarea în portul „constructiv” → rezultat = 1 dacă numărul de fotoni este impar (XOR).
|0>---\ /---|Det1> (1)
\ MZI /
|1>---/ \---|Det2> (0)
•Se folosesc două non‑linear waveguides cu procesul spontaneous four‑wave mixing (SFWM). Dacă ambele căi conţin un foton, se generează un foton „pump” la o frecvenţă diferită, detectat la ieşire → ieşire = 1. Dacă lipseşte oricare foton, nu se generează pump → ieşire = 0.
•Un singur foton trece printr‑un phase‑shifter setat la π (realizat cu modulatoare EO la 100 GHz). În funcție de fază, fotonul este redirecţionat în portul „off‑state” → ieşire = 0; dacă nu există foton (bit‑0), ieşirea rămâne 0 → invers.
•ALU este alcătuit dintr‑o rețea de MZI‑s interconectate în stilul unei sume de rețea de rețea de logice (similar cu un full‑adder, dar cu un singur bit).
•Controlul micro‑arhitectural (selectarea operaţiei) se realizează prin electro‑optic switches care dirijează pulsul de ceas către setul corespunzător de MZI‑uri (AND, OR, XOR, NOT).
•Lungime calculată: L = v_g / f_clk = 2·10⁸ m/s / 1·10¹¹ Hz = 2 mm.
•Într‑un waveguide serpentin, fotonul este „prins” pentru exact un ciclu de ceas (100 ps).
•Ring cu circumferință C = λ·Q/(2π·n_eff). Pentru λ = 1550 nm, n_eff ≈ 2.4, Q ≈ 10⁴, C ≈ 1 µm.
•Fotons stocat în stare de rezonanță cu timpul de viață τ = Q/π·f_opt ≈ 10 ps. Prin feedback electro‑optic (modulator de fază) se poate prelungi retenţia la un ciclu de ceas.
•Stări: FETCH, DECODE, EXECUTE, WRITE‑BACK – fiecare mapată la o perioadă de 100 ps.
•Implementare: O serie de MZI‑uri cu memorie de fază (thermal/EO) care formează un circuit de stare. Intrarea de ceas (puls 100 GHz) avansează starea.
•Decodare instrucţiune: Instrucţiunile sunt codificate pe 2‑bit (ex: 00=NOP, 01=NOT, 10=AND, 11=XOR). Codul este furnizat de un laser de date la 25 Gb/s (4‑pulsuri pe ciclu) și este convertit în fază de control pentru MZI‑urile din CU.
|
Direcţie |
Tehnologie |
Lăţime bandă |
Comentarii |
|
Intrare |
Modulator EO (LiNbO₃ sau Si‑photonic) |
100 Gb/s |
Codare NRZ a bit‑ului (prezență/absență foton) |
|
Ieșire |
SPAD (Single‑Photon Avalanche Diode) la temperatură ambiantă |
100 GHz |
Detectare cu jitter < 20 fs; semnalul este apoi amplificat de un low‑noise transimpedance amplifier (TIA) |
•Consum dinamic: Fiecare MZI consumă ~ 5 mW la 100 GHz (modulator EO). Pentru un procesor cu ~ 30 de MZI (ALU+CU+Clock‑Recovery) consumul total este ≈ 150 mW.
•Pierderea optică: Waveguide Si‑photonic: 0,2 dB/cm. Pentru 2 cm de rețea totală pierderea este < 0,5 dB (≈ 10 %).
•Gestionare termică: Se foloseşte un substrat de aluminiu nitru (AlN) cu conductivitate termică ridicată; micro‑heater‑ele pentru controlul fazei au un feedback în buclă cu senzorii de temperatură (RTD integrat). Sistemul menţine fluctuaţiile < 0,1 K, suficient pentru stabilitatea fazei la 100 GHz.
1.0‑25 ps – FETCH: Pulsul de ceas trece prin switch‑ul de adresare și citește bit‑ul de intrare de la SPAD.
2.25‑50 ps – DECODE: CU (FSM) primește codul de operaţie de la modulatoarele de date și setează faza corespunzătoare în MZI‑urile ALU‑ului.
3.50‑75 ps – EXECUTE: Fotoni de date intră în ALU; interferenţa cuantică produce rezultatul în portul de ieşire al ALU‑ului.
4.75‑100 ps – WRITE‑BACK: Rezultatul este stocat în registrul de delay line (1 ps) şi/sau transmis la SPAD de ieşire.
|
Etapă |
Tehnologie |
Motivaţie |
|
Fotonică |
SOI (Silicon‑on‑Insulator) 220 nm |
Compatibilitate CMOS, waveguide cu pierdere mică, posibilitate de integrare cu micro‑rezonatoare și MMI |
|
Sursă de fotoni |
Quantum‑dot (InAs) sau defect centre (SiV) integrate în waveguide |
Emisie la 1550 nm, operare la T ambiantă |
|
Detectoare |
SPAD în Si‑Ge (temperatură ambiantă) |
Sensibilitate single‑photon, viteză > 100 GHz |
|
Modulatoare EO |
LiNbO₃‑on‑Si sau Pockels‑effect în barium titanate (BTO) |
Viteza de comutare > 100 GHz, consum redus |
|
Control electronic |
CMOS 22 nm FinFET |
PLL, TIA, driver‑e EO, micro‑heater pentru fază |
|
Provocare |
Impact |
Soluție propusă |
|
Jitter de ceas la 100 GHz |
Erori de fază → operaţii greșite |
Utilizare de optical frequency comb cu stabilizare pe referință atomică (cesiu‑rubid) și feedback electronic de tip phase‑locked loop cu jitter < 5 fs |
|
Coerență fotonică pe lungimi de drum |
Desfășurare a interferenței |
Waveguide cu dispersie controlată (< 10 ps/nm·km) și temperatură uniformă prin micro‑heater cu control PID |
|
Pierdere în modulatoare EO |
Scăderea raportului semnal‑zgomot |
Design de travelling‑wave electrodes optimizate pentru impedanță de 50 Ω și lungime de 20 µm |
|
Detecție single‑photon rapidă |
Limite de contor de fotoni |
SPAD cu nanostructured multiplication region pentru reducerea dead‑time la < 10 ps |
|
Crosstalk între căi optice |
Interferențe nedorite |
Separare fizică a căilor (pitch > 2 µm) și utilizarea de mode‑filters pentru a elimina modurile nefundamentale |
•Performanță: 10 Gb/s de calcul (10⁹ operaţii pe secundă) cu un consum < 200 mW.
•Scalabilitate: Arhitectura este bit‑sliced – pentru a crește lăţimea de date, se adaugă paralel alte „slices” fotonice (ex: 4‑bit = 4× ring‑resonator + 4× ALU).
•Aplicaţii: Cryptography (OTP), ultrafast signal processing, neuromorphic spike‑based computing – toate beneficiază de prezența/absenţa fotonului ca element de stare naturală.
Prin combinarea interferenţei cuantice controlate la 100 GHz, memoriei de delay line și a controlului electronic de ceas ultra‑precis, procesorul descris reprezintă un pas concret spre calculul fotonic la scară de sistem, menţinând toate componentele la temperatură ambiantă și folosind tehnologii de fabricație compatibile cu producţia în masă.
Diagramă schemă de nivel înalt (ASCII)
+-------------------+ +-------------------+
| Laser de date | | Laser de ceas |
| (NRZ, 25 Gb/s) | | (100 GHz comb) |
+--------+----------+ +--------+----------+
| |
| EO Mod. (control) |
v v
+--------+----------+ +------------+-----------+
| CU (FSM) MZI‑s |-->| Switch‑select ALU |
+--------+----------+ +------------+-----------+
| |
| (set phase) |
v v
+--------+----------+ +------------+-----------+
| ALU (MZI‑net) |-->| Registru (Delay line)|
+--------+----------+ +------------+-----------+
| |
v v
+--------+----------+ +------------+-----------+
| SPAD Out (det) | | SPAD In (det) |
+-------------------+ +------------------------+
În rezumat, arhitectura prezentată combină interferenţa cuantică în MZI, procesul non‑linear SFWM pentru logica AND și ring‑resonator pentru memorie, toate sincronizate de un puls de ceas optic la 100 GHz. Cu tehnologiile fotonice și electronice actuale, este fezabil să se construiască un procesor cu un singur bit de date, capabil să execute operaţii logice la 10 Gb/s, consumând sub 200 mW și operând la temperatură ambiantă. Această platformă poate servi drept test‑bed pentru viitoare procesoare fotonice multi‑bit și pentru acceleratoare de tip photonic neural networks.