Отлично! Тогда мы идём по пути радикальной фотонизации. Цель: процессор, где электроника только для интерфейсов с внешним миром, а все вычисления и коммуникации — оптические. Это даст максимальное быстродействие и минимальное энергопотребление.

1. Фундаментальный сдвиг: Аналоговая фотонная логика вместо цифровой

Цифровая булева логика (0/1) не оптимальна для фотоники. Вместо этого:

• Вычисления в аналоговой области: амплитуда, фаза, поляризация, длина волны как переменные.

• Оптические резонаторы как базовые элементы вместо транзисторов.

• Интерференция и дифракция как естественные операции умножения/сложения.

2. Ядро процессора: Матричный умножитель с памятью

Вместо традиционного ядра — оптическая нейросеть:

text

Входной вектор (N каналов) → Матрица MxN (программируемые вентили) → Выход (M каналов)

• Матрица — это массив управляемых вентилей (фазовращателей + интерферометров).

• Один такт = умножение вектора на матрицу за время прохождения света (~ пикосекунды).

• Энергия расходуется только на перестройку матрицы (при изменении задачи).

3. Память: Распределённая и аналоговая

• Веса матрицы хранятся в состоянии вентилей (фазовых сдвигах).

• Данные — текущий световой поток в волноводах (динамическая память).

• Долговременная память: фотонные кристаллы с многоуровневыми состояниями.

4. Архитектура: Потоковая, а не фон-неймановская

text

Оптические датчики → Оптический препроцессинг → Оптическая нейросеть → Оптический вывод ↑ ↑ ↑ Оптическое программирование (загрузка весов матрицы)

Нет:

• Тактовой частоты (асинхронный поток)

• Регистров общего назначения

• Инструкций в традиционном понимании

Есть:

• Параметрическое программирование (настройка матриц)

• Потоковая обработка данных

5. Физическая реализация: Кремниевая фотоника + нелинейные материалы

Базовый элемент: Программируемый фазовращатель

• Материал: LiNbO₃ с электрооптическим эффектом

• Управление: 5-10 вольт, но ток ~ наноамперы (практически нулевая мощность)

• Скорость переключения: до 100 ГГц

Схема процессора:

1. Входной слой: N лазеров с разными длинами волн (WDM)

2. Скрытые слои: каскады матриц 256x256 на интерферометрах Mach-Zehnder

3. Выходной слой: фотодетекторы + электронные АЦП для интерфейса

6. Энергетический расчёт (оценочно)

ОперацияЭлектронный CPU (14 нм)Фотонный аналог64x64 матричное умножение~10 пДж/оп~0.1 пДж/опЗадержка~10 нс~10 пс (в 1000 раз быстрее)Статическое потреблениемилливаттынановатты (только утечки)

Выигрыш: 100x по энергии, 1000x по скорости для матричных операций.

7. Специализация: Что реально ускорить

1. Нейронные сети (полностью оптические inference)

2. Обработка сигналов (фильтры, FFT)

3. Решение дифференциальных уравнений (аналоговые симуляторы)

4. Оптимизационные задачи (Ising machine)

8. Критические проблемы и решения

Проблема 1: Усиление сигнала

• Решение: Оптические параметрические усилители (нелинейные кристаллы)

• Или: периодическая регенерация через лазерную накачку

Проблема 2: Нелинейность для логики

• Решение: Волноводы с нелинейным керровским эффектом

• Или: электрооптическое управление с обратной связью

Проблема 3: Программируемость

• Решение: Голографическая память для хранения весов

• Или: фазовые переходы (GST) для non-volatile памяти

9. Прототип 2025: "Photonic Tensor Core"

Архитектура:

text

8 входных лазеров (разные λ) → 64x64 программируемая матрица → 64 фотодетектора Размер: 5x5 мм на чипе Энергия: 10 фДж/операция (умножение-накопление) Пропускная способность: 10 TOPs (тера-операций/сек) при 100 мВт

10. Радикальная идея: Солнечный процессор

Если уйти от электроники максимально:

• Питание: прямое преобразование света в управляющий сигнал (фотовольтаика + электрооптика)

• Охлаждение: не нужно (потери на рассеяние ~ 0.001% против 30-40% у кремния)

• Масштабирование: фотонный процессор можно делать большим (см²), так как нет проблем с теплоотводом

Итоговая философия:

Не делать "оптический аналог электронного процессора", а создать новый тип вычислителя:

• Аналоговый по природе, но с цифровой точностью через кодирование

• Потоковый — вычисления происходят при прохождении света

• Специализированный — не универсальный CPU, а ускоритель для конкретных задач

• Энерго-пассивный — энергия нужна только для изменения конфигурации

Самый многообещающий путь: начать с оптического нейроускорителя, который будет работать как сопроцессор к ARM. Затем постепенно переносить туда всё больше функций, пока электронное ядро не станет лишь интерфейсным контроллером.

И вот наступает день физики, прийдя на экзамен я был в неком состоянии аффекта и невероятно сильно волновался, сидел я до самого конца и лабораторная работа по оптике поставил меня в ступор, ибо тему я плохо знал и оборудование было весьма кривым. Выйдя с экзамена я думал: "Все я свободен каникулы начались!", но к сожалению после отмеченного выпускного в Питере, про который я тоже потом напишу, мне пришли неудовлетворительные результаты -- 17 баллов. Итак я еще пол лета провел за подготовкой к физике, лишь периодически выходя гулять, и наконец на самом экзамене ко мне пришло озарение, будто задания стали в раз 5 легче, что могло и произойти конечно, но я вышел со школы невероятно довольный "УРА СВЕРШИЛОСЬ, НАКОНЕЦ НОРМАЛЬНОЕ ЛЕТО!" и взаправду 4 и относительно неплохие 25 баллов, которым я был несомненно рад. В течении часа я уже сидел на лавочке в парке с бутылочкой сидра с невообразимо шикарным настроением, тот день наверное был самым радостным за последние пол года!

По итогу я конечно поступил не совсем на тот уклон который хотел, мне хотелось больше физики, но тем не менее я учусь в школе при одном из топовых вузов страны, что не отменяет факт хорошей базы, которую она может дать. Всех благодарю за прочтение и хочу пожелать никогда не сдаваться и идти упорно к мечте

Всегда выгодное по деньгам  направление, но  достаточно потогонная работа (работал пять лет в компании которая разрабатывала софт для профессиональных участников торгов, брокеры, управляшки, депозитарии, фонды), большая ответственность, часто овертаймы, обычно много легаси в коде, куча заплаток и костылей, сложные инфраструктуры у кастомеров, необходимость быстро решать проблему кастомера здесь и сейчас, и пр, но денег да платят сильно выше по рынку.

Робототехника / автоматизация

Интересное техническое направление, много разных задач на стыке механики, электроники, программирования, но вот почему то в среднем платят ниже рынка.

Биоинформатика / вычислительная биология и химия. Разработка лекарств, "биг фарма" и все такое, по-моему, может быть перспективно.

Тоже самое что с робототехникой, ковыряться интересно, денег платят "мало"

Физика: фотоника, квантовая электроника. На сколько я понял, пока это больше в области науки, но квантовые вычисления могут стать следующим прорывом.

Это чистая наука, по деньгам тут еще хуже чем с робототехникой и биоинформатикой и спиться можно)

Какие, по вашему мнению, "STEM"-направления могут выстрелить в ближайшие десятилетия так, как выстрелила прога в прошедшее десятиление?

Изучали варианты:

1. Data Science / Машинное обучение: Создание и обучение этих самых нейросетей, по принципу "не можешь победить - возглавь".

2. Информационная безопасность.

3. Финансовая математика / Актуарии: анализ рисков и прогнозирование в финансах и страховании. Ответственность, но зарплаты там огромные.

4. Робототехника / автоматизация

5. Биоинформатика / вычислительная биология и химия. Разработка лекарств, "биг фарма" и все такое, по-моему, может быть перспективно.

6. Физика: фотоника, квантовая электроника. На сколько я понял, пока это больше в области науки, но квантовые вычисления могут стать следующим прорывом.

Интересует мнение специалистов в указанных областях, также особая благодарность за ваши варианты и мнения.

В качестве ВУЗа рассматриваем СПбГУ (матмех, физфак, а если получится пройти то факультет МКН) либо МФТИ (также если хватит баллов), будут интересны отзывы учившихся.

З.Ы. На поиск "призвания", выбор профессии "по любви" и прочее подобное бла бла БЛА смотрю крайне отрицательно, сам на этом обжегся, в итоге пришлось в 30 получать вторую вышку. Считаю первоначальный выбор из нематериальных соображений самой большой ошибкой в жизни. Работа - это обмен компетенций и времени на деньги. Да и нельзя сказать, что сын фанатеет по какой-то конкретной узкой области, ему нравится математика, компы и все с этим связанное.

Спасибо!

Всем привет! Меня зовут Михаил и я преподаватель по физике. Я сделал движок для физических симуляций. Видео выше. Я бы хотел найти преподавателей, которые бы протестировали его в обучении. Если вы готовы, пишите мне в Телеграм: https://t.me/makingfuturetogether

Как вам вообще идея?

Недавно думая о квантовых компьютерах начал интересоваться аналоговыми компьютерами.

И вариантов есть много и радиация и ионы и гравитация и много чего еще. Но мне показалось плазма в теории может быть интересным вариантом?

Потенциал плазмы

Высокая скорость: Плазма, представляющая собой ионизированный газ, способна обрабатывать информацию с чрезвычайно высокой скоростью благодаря высокой подвижности электронов и ионов.

Параллельность: Вычисления в плазме могут осуществляться параллельно во множестве точек, что позволяет значительно ускорить обработку данных.

Масштабируемость: Плазменные вычисления потенциально могут быть масштабированы до очень больших размеров, создавая мощные суперкомпьютеры.

Новые парадигмы вычислений: Плазма может открыть новые пути для решения сложных задач, таких как моделирование физических процессов и искусственный интеллект.

Рассмотрим несколько перспективных технологий, которые могли бы стать основой для плазменного процессора:

Плазменные осцилляторы:

Принцип работы: Используют колебания электронов в плазме для выполнения вычислений.

Преимущества: Высокая скорость, возможность параллельной обработки.

Применение: Могут использоваться для реализации логических операций и хранения данных.

Плазменные волноводы:

Принцип работы: Используют распространение электромагнитных волн в плазме для передачи информации.

Преимущества: Высокая скорость передачи данных, возможность создания сложных нейронных сетей.

Применение: Могут использоваться для связи между различными элементами плазменного компьютера.

Плазменные кристаллы:

Принцип работы: Изучают упорядоченные структуры, возникающие в плазме под воздействием электрических полей.

Преимущества: Высокая плотность хранения информации, возможность создания энергоэффективных устройств.

Применение: Могут использоваться для создания долговременной памяти.

Плазменные диоды и транзисторы:

Принцип работы: Аналогичны полупроводниковым приборам, но используют плазму в качестве рабочего тела.

Преимущества: Высокая скорость переключения, возможность работы при высоких температурах.

Применение: Могут использоваться для создания логических элементов и усилителей.

Думаю вы понимаете что он не будет похож на обычный компьютер и обычные программы на нем наверно запустить не получиться?