Het onderzoek naar de optische computer is nagenoeg stilgelegd. Rekenen met licht is afgeschreven. Toch maken we binnenkort kennis met chips die fotonen (lichtkwanten) kunnen manipuleren. Geheel optische technieken zullen al binnen enkele jaren het verkeer op knooppunten in netwerken versoepelen. Dat zal naar verwachting resulteren in een optische ATM-schakelaar. Er is zelfs weer sprake van een geheel optische geheugen. Opslagcapaciteit: duizenden gigabytes.
Dit is een technologische mijlpaal", zei Alan Huang, onderzoeker bij Bell Labs, begin 1990 tegen The New York Times. Na jarenlang ploeteren had hij eindelijk zijn doel bereikt. In het vermaarde onderzoekslab van AT&T (nu Lucent Technologies) ontwikkelde hij met collega-onderzoekers een geheel optische processor. Na een tien jaar lange kruistocht tegen sceptici en pessimisten die maar niet wilden geloven in rekenen met fotonen toonde Huang zijn gelijk aan. Hij bewees dat silicium chips in de toekomst in theorie geklopt kunnen worden door de snelheid van het licht. Huangs zege was kortstondig. Nog in hetzelfde jaar legde AT&T het onderzoek naar optische computers bij Bell Labs plat. Het onderzoeksinstituut sloot daarmee als laatste in een rij van commerciële bedrijven het hoofdstuk ‘optisch rekenen’ in de computerresearch af. Eerder had IBM ook al het licht gedoofd van zijn geheel optische rekenmachine. En dat terwijl Big Blue nooit kinderachtig is geweest waar het ging om diepgravend onderzoek naar nieuwe computer- en opslagtechnologie ging. Alle grote computerbedrijven hebben hun experimentele optische rekenmachines intussen begraven, ook al meenden sommige deskundigen dat de technologie waarop de optische computer is gebaseerd een even grote doorbraak zou kunnen worden als de transistor een halve eeuw geleden. Alleen in de academische wereld rekenen sommige onderzoekgroepen nog op fotonen. De optische computer is buiten spel gezet door de produktietechniek voor silicium chips. Dit materiaal heeft een grote voorsprong op alle andere bouwstoffen als het gaat om het maken van schakelende structuren. Dat komt omdat er de afgelopen halve eeuw miljarden dollars zijn gepompt in de verfijning van deze technologie. Silicium is waarschijnlijk de best onderzochte stof die we kennen. Het materiaal levert nog steeds verrassingen op, zoals de mogelijkheid om er hoogfrequent-schakelingen en zelfs lichtgevende structuren mee te maken.
Chips in fauteuil
Al vele malen is voorspeld dat silicium aan het eind van zijn latijn zou raken. In de jaren tachtig wezen deskundigen erop dat de chipindustrie op den duur gedwongen zal zijn om over te stappen op galliumarseen (GaAs). In dit halfgeleidermateriaal bewegen elektronen maar liefst vijf maal sneller dan in silicium. Ook de vermaarde computer-architect Seymour Cray was er toentertijd van overtuigd dat galliumarseen chips hem de snelste vector-supercomputer zouden opleveren. Toen het ernaar uitzag dat fabrikanten hem geen GaAs-chips konden leveren, kocht de koppige Cray in 1989 een hele galliumarseen-fabricagelijn op van Gigabit Logic uit Newbury Park in Californië en liet die naar Cray Computer in Colorado Springs in Colorado verschepen. In mei vorig jaar, vijf maanden voordat Seymour Cray door een auto-ongeval om het leven kwam, werd de failliete boedel van zijn luchtkasteel geveild.
Toegegeven, er gaat fascinerende technologie schuil achter de quantum-computer, de supergeleidende Josephson-computer en de optische computer, maar deze concepten zijn ingehaald. Geen van alle kunnen ze concurreren tegen het momentum van de silicium-produktietechnologie voor chips. Het wordt steeds duidelijker dat de zegetocht van deze halfgeleider nog lang niet ten einde is. Zelfs de krachtigste microprocessor op dit moment, de Alpha van DEC met 9,3 miljoen transistoren en een kloksnelheid van 500 MHz, is slechts een stoomlocomotief in vergelijking met de superchips die ons te wachten staan.
De Amerikaanse IC-industrie, verenigd in de Semiconductor Industrie Association (SIA), twijfelt er niet aan dat er in 2010 microprocessoren op de markt komen met 90 miljoen transistoren op tegeltjes silicium ter grootte van een flinke postzegel. Daarvan zal de kloksnelheid vele gigahertzen bedragen. Over dertien jaar zullen ook de eerste geheugenchips met opslagdichtheden van 64 gigabit (8 gigabyte) op de markt komen. Om deze hoeveelheid bits op te slaan is nu nog een harde schijf nodig zo groot als een pak chocoladehagelslag. Over dertien jaar passen al die enen en nullen op een tegeltje silicium van 3 bij 5 centimeter.
Optische schakeltechnologie
Het is echter wat voorbarig om de technieken voor het goochelen met fotonen voorgoed bij het vuilnis te zetten. Juist op dit moment zijn de geluiden vanuit het opto-elektronische onderzoek bijna euforisch. Er zijn nieuwe optische schakeltechnologieën in ontwikkeling die al over enkele jaren op de markt zullen verschijnen. Het doel van deze technieken is niet rekenen met licht, maar het manipuleren en sturen van optische signalen over glasvezelnetwerken. De grote belofte van dit moment zijn geheel optische schakeltechnieken voor breedbandige communicatienetwerken. Momenteel gebeurt het routeren en schakelen van verkeer over optische netwerken nog elektronisch. Dat heeft een belangrijk nadeel: om de informatiestroom te regelen, moeten fotonen en elektronen steeds in elkaar worden omgezet. Lichtgevoelige diodes moeten de lichtpulsen uit glasvezelkabels eerst omzetten in elektronen, pas daarna kunnen de elektronische routers en schakelaars ermee uit de voeten. Vervolgens moeten diodelasers de uitgesorteerde informatie weer in een glasvezel pompen. Dit soort opto-elektrische overgangen maken knooppunten op optische netwerken duur.
Vandaar dat een groot aantal bedrijven in rap tempo werkt aan technieken om het verkeer op de knooppunten geheel optisch te regelen. Daarvoor moeten ze chips bouwen waarmee fotonen zijn te manipuleren en te sturen. Als dat lukt wordt het omzetten van optische naar elektrische signalen overbodig. Alle belangrijke namen uit de telecom- en computerindustrie – IBM, GEC Marconi, Alcatel, Lucents Bell Labs, NTT, Siemens en Philips – werken aan geïntegreerde circuits die langssnellende fotonen kunnen scheiden en herverdelen op basis van de eigenschappen van licht. Dit soort chips zijn gemaakt van halfgeleidermaterialen met de elementen indium, gallium, fosfor en arseen. De structuren bestaan grotendeels uit paden op chips (‘dijkgolfgeleiders’) waarin infrarood licht zich kan voortplanten. Afgelopen februari werd op de Optical Fibers Conference in Dallas duidelijk dat met behulp van deze lichtgeleidende chips geheel optische netwerken nog slechts enkele jaren op zich zullen laten wachten.
Er is een goede reden voor dit optimisme: alle afzonderlijke componenten voor het manipuleren van lichtsignalen liggen op de plank, van fotodiodes, telecommunicatielasers en optische versterkers tot allerlei structuren waarmee verschillende kleuren licht uit elkaar te pluizen zijn. Zelfstandige optische componenten zijn echter verdraaid moeilijk te assembleren. Twee koperdraadjes aan elkaar solderen is vele malen gemakkelijker dan twee glasvezels lassen. Met behulp van IC-fabricagetechnieken zijn echter optische systemen te integreren en bovendien massaal te reproduceren. Dat zal ze uiteindelijk betaalbaar maken. Geïntegreerde optische componenten zullen in de toekomst bijvoorbeeld het verkeer op bedrijfsnetwerken versoepelen. Eén van de problemen bij deze netwerken is de communicatie met de buitenwereld. Wie krijgt er bijvoorbeeld voorrang als verschillende werknemers van het bijkantoor een boodschap naar het netwerk van het hoofdkantoor sturen? Dit probleem speelt zich af op de optische crossconnect (oxn), een schakelcircuit waarover de externe communicatie van een lokaal netwerk loopt. Op de crossconnect bepaalt een control and management-laag wie welke signalen krijgt. Momenteel werken deze schakelaars elektronisch.
"Daarbij is heel wat organisatie nodig om te voorkomen dat boodschappen van verschillende gebruikers naar dezelfde bestemming niet met elkaar botsen", zegt dr ir Meint Smits, projectleider van de groep Integrated Optics van de TU Delft.
Regenboog in vezel
De oplossing is om de communicatie te versoepelen door het gebruik van meerdere golflengten. Dit heet wavelength division multiplexing (wdm). Door de informatie van verschillende gebruikers in verschillende ‘kleuren’ te verzenden, kunnen optische chips de datastromen feilloos uit elkaar houden. Dataverkeer regelen in geheel optische netwerken lijkt op het soepel doorstromen van auto’s op verkeersknooppunten met ongelijkvloerse kruisingen. Op de TU Delft experimenteert men nu met schakelsystemen voor vier of acht golflengten. Verschillende industriële onderzoeksgroepen hebben daarvoor intussen proefsystemen ontwikkeld. Optische apparatuur voor communicatie met meerdere golflengten tussen twee punten is inmiddels commercieel verkrijgbaar. Ze kunnen de bandbreedte van een bestaande glasvezelverbinding verhogen zonder dat er een nieuwe vezel hoeft te worden gelegd. In 1995 introduceerde IBM al een systeem dat tien interactieve datastromen kon opzetten over één vezel. De introductieprijs voor dit systeem was 250.000 dollar voor elk punt. IBM’s ‘Muxmaster’ genereert twintig verschillende golflengten. Wanneer de wdm-techniek verder wordt geperfectioneerd, zijn zeer grote bandbreedtes mogelijk. Er kunnen zelfs honderden verschillende golflengten tegelijk over één vezel. Voor elke golflengte is overdracht van informatie mogelijk met een snelheid van 2,5 gigabit/s en in de nabije toekomst van 10 gigabit/s. Het is de kunst om de verschillende kleuren laserlicht zo te kiezen dat ze binnen het venster liggen waar glasvezels het meest transparant zijn. Kwartsglas is het best doorlaatbaar voor licht met golflengten rond 1300 nm en rond 1550 nm. Het venster bij 1550 nm heeft als voordeel dat hiervoor inmiddels optische versterkers bestaan die alle langskomende golflengten in een gebied van tientallen nanometers rond 1550 nm versterken.
Op de Optical Fibers Converence, afgelopen februari in Dallas, claimden onderzoekers van Lucent Technologies’ Bell Labs een record te hebben gebroken met een wdm-systeem met 206 verschillende kleuren van 1530 nm tot 1590 nm. De golflengten liggen slechts 0,3 nanometer van elkaar. De lichtpakketjes in het systeem van Bell Labs werden door één diodelaser gegenereerd. Daarna werden ze door een modulator afgestemd op 206 verschillende frequenties. Door het gebruik van een lichtbron bleef de bandbreedte voor elk kanaal beperkt tot 36,7 megabit/s.
"Onze totale bandbreedte is nog slechts 7,5 gigabit/s", zegt researchdirecteur Wayne Knox van Bell Labs. "We wilden vooral aantonen dat wdm hoge datastromen zou kunnen afgeven aan talrijke kantoren door middel van routering op basis van lichtsignalen met verschillende golflengten."
Voorlopig zijn dit soort systemen peperduur. Alleen al de modulator in het systeem van Bell Labs kost tienduizend dollar. De verwachting is dan ook dat deze apparatuur in eerste instantie alleen in de telecommunicatie zal worden toegepast. Hewlett-Packard werkt echter al aan goedkopere wdm-systemen voor bedrijfsnetwerken in samenwerking met Du Pont. HP heeft inmiddels een ontvang/zend-systeem voor meerdere golflengten gedemonstreerd met datasnelheden van 2,5 tot 4 gigabit/s. Massaproduktie moet optische chips uiteindelijk betaalbaar maken.
Nieuwe optische computer
Binnen de industrie hoopt men dat digitale televisie de vraag naar grote bandbreedtes zal doen toenemen. Kabeltelevisie-bedrijven investeren steeds meer in optische technieken. Als de omzet in glasvezel wat zegt, dan zien ook de leveranciers van schakelapparatuur goede tijden tegemoet. Marktonderzoekbureau Electronicast in San Mateo, Californië, voorspelt dat de wereldwijde omzet in glasvezel voor optische communicatie zal toenemen van 3,8 miljard dollar in 1995 tot 8,5 miljard in 2000. Vijf jaar later zal dat volgens Stephen Montgomery, vice president van Electronicast, nogmaals verdubbelen tot 15,5 miljard in 2005. Amerikanen en Europeanen zijn goed in het maken van optische componenten met hoge prestaties. Maar volgens Montgomery bereiden de Japanners zich voor om de massamarkten te domineren met opto-elektronische componenten. De Japanse regering steunt het onderzoek door middel van de Optoelectronics Industry and Technology Development Association. Het commitment van de grote elektronica-fabrikanten, zoals Toshiba, Sharp en Hitachi is groot. "De Japanners zijn zeer goed op dit gebied", zegt Smit van de TU Delft.
Rod Alferness, hoofd Photonic Networks Research van Lucents Bell Labs in Murray Hill, verwacht dat het verdelen van golflengten in eerste instantie zal worden toegepast in de crossconnects van bedrijfsnetwerken. Momenteel worden de eerste proeven genomen door de deelnemers aan het Amerikaanse consortium Monet (Multiwavelength Optical Networking). Onder meer AT&T, Lucent, Bellcore, Bellsouth en het Amerikaanse Naval Research Lab zijn aangesloten bij Monet. Bellcore, Lucent en AT&T hebben onlangs de werking van een op afstand bestuurbaar prototype crossconnect op basis van verschillende golflengten aangetoond. Het testproject bij Bell Labs in Holmdel werkt met een glasvezel van 2000 kilometer en acht verschillende golflengten van ieder 2,5 gigabit/s. In Europa wordt het onderzoek naar volledig optische schakeltechnologie gecoördineerd binnen het EG-programma Race.
"Uiteindelijk zullen deze ontwikkelingen resulteren in een optische ATM-schakelaar", zegt Alferness van Bell Labs. De huidige elektronische ATM-schakelaars vragen veel rekenkracht en doen een groot beroep op geheugencapaciteit. Simpel gezegd: het zijn computers.
De optische computer komt er dus opnieuw aan, zij het in een gespecialiseerde gedaante. Een computer op basis van licht mag dan een illusie gebleken zijn, in de optische wereld geloven technici dat communicatie met fotonen door de snelle ontwikkelingen in schakeltechnologie voor netwerken ook steeds meer zal doordringen tot zware computersystemen. Optische technieken zouden bijvoorbeeld de communicatie-knelpunten in omvangrijke parallelle systemen kunnen oplossen. De elektronische verbindingen in deze computers vormen een steeds grotere beperking voor computer-architecten. Diverse researchinstituten experimenteren inmiddels met computerarchitecturen waarin intern optisch dataverkeer een rol speelt. Afgelopen december liet de universiteit van Colorado in Boulder (Colorado) een silicium chip zien waarop een dambord was gemonteerd van acht bij acht laserdiodes. De 64 lasers konden lichtsignalen zenden naar de volgende kaart in de computer, niet over glasvezels, maar door de vrije ruimte. De onderzoekers uit Boulder willen uiteindelijk verbindingen maken met communicatiesnelheden van terabits per seconde.
"De optische computer is dood, leve de optische computer", zo zouden we de geluiden uit de telecommunicatie-wereld kunnen interpreteren. Er zijn zelfs weer optimisten die denken dat optische schakeltechnieken silicium transistoren op den duur zullen vervangen. "De opto-elektronische componenten van vandaag zouden wel eens de overgang kunnen betekenen naar geheel optische communicatie en optisch rekenen in de toekomst", commentarieerde het gezaghebbende blad Laser Focus World afgelopen januari.
Holografische geheugens
Een consortium van Amerikaanse bedrijven en universiteiten kijkt momenteel zelfs weer serieus naar optische dataopslag in de ruimte. Met behulp van twee interfererende laserbundels, een LCD-display en een video-chip slaan ze informatie op in driedimensionale vorm in lithiumniobaat-kristallen (LiNbO3). De onderzoeksgroep Electrical Engineering van Stanford University digitaliseerde in 1994 de Mona Lisa en sloeg haar op in een LiNbO3-kristal. De snelheid waarmee een holografisch geheugen gegevens kan ophoesten is in theorie enorm.
"Duizend bij duizend pixels zijn in een milliseconde te lezen", zegt de hoogleraar Lambertus Hesselink van de universiteit van Stanford. "Dat betekent een miljard bits per seconde." Zelfs met de eenvoudige experimentele opstelling bereikte men in Stanford dezelfde uitleessnelheid als geavanceerde harde schijven, ongeveer 6 megabit (miljoen bits) per seconde. Hesselink brainstormt zelfs over de mogelijkheid om zijn holografische geheugen te gebruiken als parallelle computer. In een LiNbO3-kristal zijn laserbundels met bitpatronen bij elkaar op te tellen of af te trekken. Daarmee kunnen grote hoeveelheden berekeningen parallel worden uitgevoerd. Intussen werd het Prism-project (Photorefractive Information Storage Materials) opgericht, waarvan ondermeer IBM deel uitmaakt. Hesselink, die het project ook leidt, zegt dat intussen een dichtheid is gehaald van meer dan 10 gigabyte per kubieke centimeter. "We hebben nu meer dan 1400 hologrammen in hetzelfde kristal opgeslagen. De grootste hologrammen bevatten 1000 bij 1000 bits. We zullen daarover binnenkort in een wetenschappelijk tijdschrift publiceren", aldus Hesselink. Hij hoopt binnen twee jaar een prototype te hebben van een professioneel opslagsysteem. Volgens Hesselink kan een holografisch massageheugen robuust en goedkoop worden. "Bewegende onderdelen zijn niet nodig. Maar we moeten nog veel problemen overwinnen. Er wacht echt geen massamarkt, maar ik geloof wel dat we een aantal systemen kunnen ontwikkelen die voor computerfabrikanten aantrekkelijk zijn."
Haast is geboden. Want net zoals silicium chips voorlopig nog mijlenver voor liggen op de optische computer, zo is ook de vooruitgang in conventionele opslagsystemen groot. Elk jaar kunnen harde schijven 60 procent meer bits opslaan. Harde schijven met honderden megabytes komen eraan. Net als de optische processor is het holografische geheugen een mijlpaal, maar er zijn ook nog doorbraken in produktontwikkeling nodig om ze tot kaskrakers te maken.
René Raaijmakers, freelance medewerker van Computable
