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 si adaptat la sistemul de operare UBUNTU X64 24.04 LTS.
Scop – Concepe un procesor care lucrează cu un singur bit de date (0/1) şi care este sincronizat la ≈ 100 GHz. Funcţionarea se bazează pe fotonica integrată şi interferenţa cuantică, toate componentele fiind capabile să opereze la temperatura camerei. Procesorul trebuie să poată fi utilizat sub Ubuntu 24.04 LTS (x86‑64) printr‑un driver kernel şi un set de API‑uri utilizator.
|
Caracteristică |
Valoare/Descriere |
|
Lățime de bandă de ceas |
100 GHz (± 5 % toleranţă) |
|
Unitate de lucru |
1‑bit (ALU capabilă să execute: NOT, AND, OR, XOR, SHIFT‑L/R) |
|
Arhitectură |
Harvard (memorie program & date separate) |
|
Memorie de lucru |
8‑bit ROM (micro‑coduri) + 8‑bit RAM (registru de date) – toate în tehnologie fotonică |
|
Interfaţă I/O |
PCI‑Express 4.0 x1 (pentru comunicaţie cu CPU‑host) + optiune USB‑C 3.2 (pentru debugging) |
|
Tehnologie |
Fotonică pe siliciu (Si‑ph) cu elemente cuantică (quantum‑dot single‑photon source, APD) |
|
Temperatură de operare |
20‑30 °C (ambient) |
|
Compatibilitate OS |
Kernel driver (Linux 5.15+), device node /dev/oq1b, liboq1b (C/C++/Python) |
|
Putere estimată |
< 2 W (datorită eficienţei optice și a consumului redus al componentelor electronice auxiliare) |
2. Arhitectura sistemului – descriere textuală
+--------------------------------------------------------------+
| OQ‑1B Chip |
| |
| +-------------------+ +-------------------+ +--------+ |
| | Clock Generator | | Optical Bus | | I/O | |
| | (Mode‑locked )| | (Waveguides) | | Bridge| |
| | Laser @100GHz) |--->| (100 GHz distribution) | (PCIe) | |
| +-------------------+ +-------------------+ +--------+ |
| | | |
| v v |
| +-------------------+ +-------------------+ +--------+ |
| | Quantum‑Control | | Photonic ALU | | RAM/ | |
| | (Phase‑Locked )| | (MZI‑based gates)| | ROM | |
| | PLLs) | | (NOT, AND, OR…) | | (Si‑ph)| |
| +-------------------+ +-------------------+ +--------+ |
| | | |
| v v |
| +-------------------+ +-------------------+ +--------+ |
| | Single‑Photon | | Detector Array | | Power | |
| | Source (QD) | | (APD, 30 ps) | | Mgt | |
| +-------------------+ +-------------------+ +--------+ |
+--------------------------------------------------------------+
Clock Generator – laser mode‑locked carează un puls la 100 GHz. Pulsul este convertit în semnal electric de 10 ps prin fotodetector (APD) şi serveste ca „clock” pentru toate blocurile prin PLL‑uri locale (fiecare MZI are un modulator electro‑optic controlat de PLL).
•Optical Bus – reţea de waveguide din Si‑ph, cu splittere 1×2 şi 2×1, asigură distribuţia egală a pulsului de ceas şi a semnalelor de date între module.
•Quantum‑Control – fiecare poartă logică este un interferometru Mach‑Zehnder (MZI) cu două braţe controlate prin modulator electro‑optic (EO). Interferenţa constructivă/destructivă reprezintă 0/1. Controlul fazei se realizează prin „phase shifters” bazate pe efectul Pockels (Si‑Ge) şi este stabilizat de feedback‑loop cu detectorul de fază.
•Photonic ALU – setul de MZI‑uri configurabile pentru operaţiile NOT, AND, OR, XOR şi shift‑left/right. Într‑un ciclu de ceas, datele intră pe un port, sunt combinate cu semnalul de control (micro‑cod) din ROM şi ies pe portul de ieşire.
•RAM/ROM – celule de memorie optică bazate pe micro‑rezonatoare cu stare (ON/OFF) controlate prin schimbarea indicele de refracție (thermal‑tuning, dar cu consum < 10 µW per celulă). Datele sunt scrise/ citite prin pulsaţiile optice.
•Detector Array – APD (avalanche photodiode) cu jitter < 30 ps pentru a converti semnalul optic în nivel logic electric (0/1). Detectoarele sunt amplificate de un low‑noise transimpedance amplifier (TIA) şi apoi trimise la driver‑ul PCIe.
•I/O Bridge – blocul electronic care transformă semnalele digitale de la APD în pachete PCIe. Foloseşte un controller FPGA (ex. Xilinx Kintex‑7) care operează la 250 MHz, dar sincronizat cu clock‑ul optic prin „clock‑data‑recovery” (CDR).
|
Etapă |
Descriere |
Element optic / electronic |
|
Fetch |
Instrucţiunea este citită din ROM (8 bit). |
Micro‑rezonator ROM → MZI de decodare → FPGA |
|
Decode |
Micro‑codul configurează fazele MZI‑urilor ALU. |
Control‑logic FPGA → DAC → modulatoare EO |
|
Execute |
Pulsul de date (1‑bit) trece prin ALU, interferenţa produce rezultatul. |
MZI‑ALU (NOT, AND, OR…) → Detector APD |
|
Write‑back |
Rezultatul este stocat în RAM (1‑bit) sau trimis pe I/O. |
APD → TIA → FPGA → RAM optică (write pulse) |
|
Clock |
Pulsul de 100 GHz este distribuit prin busul optic. |
Laser → splitter → waveguide → PLL‑uri locale |
1.Laser mode‑locked (ex. DFB‑laser cu saturable absorber) generează un puls de 10 ps la 100 GHz.
2.Distribuţia pulsului – un splitter 1×N (N = numărul de blocuri) trimite pulsul pe fiecare linie de waveguide. Fiecare linie are un delay‑line calibrat (L = c·Δt) pentru a egaliza faza.
3.PLL local – fiecare modul (MZI, detector, RAM) are un PLL care compară pulsul primit cu semnalul intern (generat de un VCO la 100 GHz) și ajustează faza printr‑un actuator termic/EO. Astfel, orice drift de temperatură este corectat în timp real.
4.Clock‑Data‑Recovery (CDR) în bridge‑ul PCIe extrage ceasul de la fluxul optic și îl folosește pentru a sincroniza interfaţa electronică (250 MHz).
/* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 */
/* oq1b.c – driver pentru One‑Bit Optical‑Quantum Processor */
#include <linux/module.h>
#include <linux/pci.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/ioctl.h>
#define OQ1B_DRIVER_NAME "oq1b"
#define OQ1B_DEV_MAJOR 240 /* ales liber */
#define OQ1B_IOCTL_RUN _IOW('q', 0x01, __u32) /* pornește execuția unei instrucţiuni */
#define OQ1B_IOCTL_READ _IOR('q', 0x02, __u32) /* citește bitul rezultat */
static struct pci_device_id oq1b_pci_tbl[] = {
{ PCI_DEVICE(0x1234, 0x11AA) }, /* Vendor/Device fictiv */
{ 0, }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(pci, oq1b_pci_tbl);
static int oq1b_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
try_module_get(THIS_MODULE);
return 0;
}
static int oq1b_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
module_put(THIS_MODULE);
return 0;
}
static long oq1b_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
__u32 user_val;
switch (cmd) {
case OQ1B_IOCTL_RUN:
if (copy_from_user(&user_val, (void __user *)arg, sizeof(user_val)))
return -EFAULT;
/* scrie comanda în registrul de control PCIe */
iowrite32(user_val, dev->mmio_base + 0x00);
break;
case OQ1B_IOCTL_READ:
user_val = ioread32(dev->mmio_base + 0x04); /* registru rezultat */
if (copy_to_user((void __user *)arg, &user_val, sizeof(user_val)))
return -EFAULT;
break;
default:
return -ENOTTY;
}
return 0;
}
static const struct file_operations oq1b_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = oq1b_open,
.release = oq1b_release,
.unlocked_ioctl = oq1b_ioctl,
};
static int oq1b_probe(struct pci_dev *pdev, const struct pci_device_id *ent)
{
int err;
err = pci_enable_device(pdev);
if (err) return err;
/* mapare BAR0 – spațiu MMIO al FPGA‑ului */
dev->mmio_base = pci_iomap(pdev, 0, 0x1000);
if (!dev->mmio_base) return -ENODEV;
register_chrdev(OQ1B_DEV_MAJOR, OQ1B_DRIVER_NAME, &oq1b_fops);
pci_set_drvdata(pdev, dev);
dev_info(&pdev->dev, "OQ‑1B driver loaded\n");
return 0;
}
static void oq1b_remove(struct pci_dev *pdev)
{
struct oq1b_dev *dev = pci_get_drvdata(pdev);
pci_iounmap(pdev, dev->mmio_base);
unregister_chrdev(OQ1B_DEV_MAJOR, OQ1B_DRIVER_NAME);
pci_disable_device(pdev);
dev_info(&pdev->dev, "OQ‑1B driver unloaded\n");
}
static struct pci_driver oq1b_pci_driver = {
.name = OQ1B_DRIVER_NAME,
.id_table = oq1b_pci_tbl,
.probe = oq1b_probe,
.remove = oq1b_remove,
};
module_pci_driver(oq1b_pci_driver);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("ChatGPT – Concept Design");
MODULE_DESCRIPTION("Driver for 1‑bit Optical‑Quantum Processor");
Device node – /dev/oq1b este creat automat la încărcarea driver‑ului.
•API‑lib – liboq1b.so oferă funcţii de nivel înalt:
/* liboq1b.h */
int oq1b_exec(uint32_t instr); // instrucţiune de 8‑bit
int oq1b_read(uint32_t *result); // citeşte bitul rezultat
Exemplu în Python (folosind ctypes):
import ctypes, os
dev = os.open("/dev/oq1b", os.O_RDWR)
def exec_instr(instr):
ioctl = 0x40044b01 # OQ1B_IOCTL_RUN (calc from _IOW)
ctypes.ioctl(dev, ioctl, ctypes.c_uint32(instr))
def read_res():
ioctl = 0x80044b02 # OQ1B_IOCTL_READ
buf = ctypes.create_string_buffer(4)
ctypes.ioctl(dev, ioctl, buf)
return ctypes.c_uint32.from_buffer(buf).value
# Test: NOT 1 -> 0
exec_instr(0b00000101) # cod micro‑instr: NOT, operand=1
print("Rezultat:", read_res())
|
Etapă |
Tehnologie |
Comentariu |
|
Substrat |
SOI (Silicon‑on‑Insulator) 220 nm |
Compatibil cu CMOS, permite integrarea cu circuite electronice. |
|
Waveguides |
Si‑ph strip waveguides (450 nm lățime) |
Pierdere < 0.5 dB/cm, suportă 1550 nm (banda telecom). |
|
MZI & EO modulators |
Si‑Ge Pockels effect (strain‑engineered) |
Vπ < 2 V, bandwidth > 120 GHz. |
|
Single‑photon source |
Quantum‑dot (InAs) în cavitate fotonică |
Emite la 1550 nm, triggerat de impulsul laser de ceas. |
|
Detector |
APD pe germaniu (Ge‑on‑Si) cu jitter 30 ps |
Operare la temperatură camerei, câștig > 20 dB. |
|
Micro‑RAM |
Phase‑change material (GST) în micro‑cavitate |
Stare 0/1 prin diferență de indice de refracție, citire non‑destructivă. |
|
Package |
Chip‑on‑board cu co‑packaged FPGA (PCIe) |
Conexiuni optice prin fibre de 2 µm (grating couplers). |
Fabricarea se poate realiza în “multi‑project wafer” (MPW) la un fab de tip IME (Intel‑Mach‑E) sau CLOU (Ciena‑LioniX), cu costuri de prototip < $150 k pentru 2 cm² de fotonică.
|
Provocare |
Soluţie propusă |
|
Sincronizare 100 GHz la temperatură camerei |
Utilizare laser mode‑locked cu stabilizare termică + PLL cu jitter < 5 ps; distribuție prin waveguide cu compensare de dispersie (chirped Bragg gratings). |
|
Pierdere de semnal în busul optic |
Design low‑loss splitters + utilizare de „adiabatic couplers” pentru a minimiza reflecţiile. |
|
Controlul precis al fazei MZI‑urilor |
Feedback optical (monitoring de power‑tap) pentru fiecare MZI, ajustare în buclă închisă. |
|
Emisie de fotoni singuri în mediu |
Triggerare a quantum‑dot‑ului de fiecare puls de ceas; filtrare spectrală prin on‑chip ring resonator. |
|
Interfaţa între domeniul optic (100 GHz) şi PCIe (250 MHz) |
CDR cu algoritmi „fractional‑clock” în FPGA; buffering în FIFO‑uri cu depth 256 pentru a evita overflow. |
|
Pierderea de date la conversia APD → logic |
Amplificator low‑noise (TIA) integrat pe chip, cu compensare de gain‑flatness. |
|
Crosstalk între waveguides adiacente |
Separare prin 5 µm, utilizare de „shield‑cladding” (SiO₂ dopat). |
1.Multi‑bit scaling – adăugarea unui multiplexor pe intrare/ieșire pentru a procesa mai multe 1‑bit în paralel (ex: 8‑bit pipeline).
2.Programmable ALU – configurarea dinamică a MZI‑urilor pentru a permite un set extins de operaţii (XOR, NAND).
3.Interconectare cu rețea fotonică – conectarea a mai multe OQ‑1B printr‑o rețea de commutare optică pentru calcul distribuit.
Am prezentat un concept complet pentru un procesor cu un singur bit de date, sincronizat la 100 GHz printr‑un ceas optică, şi integrat cu tehnologia quantum‑photonic pentru generarea și detectarea photonilor. Design‑ul include:
•Arhitectura hardware – laser, bus optic, MZI‑ALU, RAM optică, detector, bridge PCIe.
•Metodă de sincronizare – distribuție puls laser + PLL local.
•Interfaţa software – driver kernel Linux, API‑lib C/Python.
•Fabricare – SOI fotonică cu quantum‑dot și APD la temperatură camerei.
Acest design poate fi utilizat ca punct de pornire pentru un prototip experimental în cadrul unui program de cercetare în „Photonics‑Enabled Computing”. Într‑un mediu academic sau industrial, se poate construi prima versiune pe un MPW şi se pot valida timpii de execuție (≈10 ps per instrucţiune) și consumul de energie (≈ 0.2 pJ per operație, datorită naturii interferențiale).
Acesta este un proiect conceptual; toate codurile și valorile hardware sunt illustrative.