Optik mikroişlemciler ile klasik mikroişlemciler olarak adlandıracağımız işlemcilere göre en büyük farkı, optik işlemciler ve optik devreler elemanları ile beraber, fotonik entegrasyon teknolojilerini kullanmasıdır. Klasik işlemcilerin sahip olduğu donanımlara farklı olarak fotonik dalga kılavuzları, optik anahtarlar ve lazerler gibi bileşenleri kullanır.
Optik işlemciler, geleneksel CMOS tabanlı elektronik işlemcilerin aksine transistörlerin yerine ışık dalgalarının etkileşimi kullanılarak veriler işlenir.
Optik İşlemcilerin Temel Bileşenleri ve Mimarisi
- Optik Mantık Kapıları: Elektronik mantık kapıları yerine foton girişim, kırınım ve faz kayması özelliklerini kullanarak işlem yapar. Klasik işlemcilerde de bulunan AND, OR ve XOR gibi temel mantık işlemleri için optik dalgalar kullanır. Bunun içinde genellikle nonlineer optik malzemelerle gerçekleştirir. Bu işlemler içinde genellikle Mach-Zehnder interferometresi (MZI) sayesinde faz değişikliklerini algılayarak gerçekleştirir.
- Optik Dalga Kılavuzu: Işık fotonların yönlendirilmesinde kullanılır. Bu kılavuz sayesinde ışığın belirli yön boyunca, kayıpsız iletilmesini sağlar.
- Lazer ve LED: Optik sinyallerin oluşturulmasında kullanılır. En yaygın olanı ise Vertical Cavity Surface Emitting Laser – VCSEL yarı iletken kullanılır.
- Fotodedektörler: Optik sinyallerin yarı iletken malzemelere çarpması ile elektiriksel sinyallere dönüştürülür ve bu sayede geleneksel sistemin anlayabileceği entegrasyonu sağlar.
- Rezonatörler ve Modülatörler: Optik sinyallerin belirli frekanslarda filtrelenmesi ve modüle edilmesi için kullanılır.
Optik İşlemcilerin Avantajları
- Yüksek Hız ve Bant Genişliği: Işık, elektrik sinyallerine göre çok daha hızlı olmasından dolayı yüksek hıza sahiptirler. Ayrıca kayıp konusunda da elektrik sinyallerine göre kayıp çok daha azdır.
- Düşük Güç: Elektronik devrelerde, iletim ve veri işleme sırasında direnç sağladığı için enerji kaybı ve buna bağlı olarak ısı açığa çıkmaktadır. Optik sistemlerde bu sorunlar daha azdır. Az ısı çıkmasından dolayı da termal sistemlere gereksinim daha azalmaktadır.
- Paralel İşlem: Optik sinyaller, farklı dalga boylarında (renklerde) taşınabileceği için paralel işlemler gerçekleştirilebilmektedir. Bu da verimliliği artırmaktadır.
- Elektromanyetik Koruması: Optik sinyaller, elektromanyetik alanlardan etkilenmediği için güvenirliği artırırken hata oranını da azaltmaktadır.
Optik İşlemcilerin Dezavantajları
- Geliştirme Maliyeti: Optik işlemciler henüz ticarileşme olgunluğuna erişmemesinden dolayı maliyet açısından dezavantajlı durumdadır.
- Dönüşüm Gereksinimleri: Günümüzde kullandığımız bir çok IT ekipmanı elektronik altyapıya sahip olduğu için, optik ve elektronik sistemler arasında dönüşüm ekipmanları gerekmektedir. Bu da enerji kayıplarına ve gecikmelere sebebiyet olabilir.
- Donanım Boyutları: Optik işlemci transistör boyutları, elektronik sistemlere göre daha büyük durumdadır.
Farklılıklar
Teknolojik Farklılıklar
| Özellik | Optik Mikroişlemciler | Klasik Mikroişlemciler |
| İşlem Mantığı | Mantıksal işlemler için ışık dalgalarının faz kaymaları ve girişimleri kullanılır. | Mantıksal işlemler transistörler aracılığı ile gerçekleştirilir. |
| Temel Bileşenler | Optik mantık kapıları, dalga kılavuzları, VCSEL lazerler, fotodedektörler ve mikro halka rezonatörleri kullanılır. | CMOS transistörleri, bakır bağlantılar, kapasitörler ve direnç kullanılır. |
| İletişim ve Veri Transferi | Elektromanyetiğe karşı kuvvetli ışık sinyalleri kullanılır. | Elektronlar ile bilgi taşınır. Elektromanyetiğe açıktır. |
| Güç Tüketimi | Daha düşük güç tüketimi. | Dirençler nedeniyle güç kaybı ve ısı üretimi. |
| Hız | Işık hızında veri iletimi (299.792 km/s) | Yarı iletkenler nedeniyle yavaşlayan elektriksel sinyaller. |
| Malzeme | Silikon fotonik, Indiyum Fosfit (InP), Gallium Arsenide (GaAs) | CMOS tabanlı silikon transistörler. |
| Üretim | Ticarileşmemiş ve karmaşık üretim | Ticarileşmiş ve sistematik hale gelen süreçler. |
Mimari Farklılıklar
| Özellik | Optik Mikroişlemciler | Klasik Mikroişlemciler |
| Veri İşleme Yöntemi | Paralel veri işleme | Seri veri işleme |
| İletim Yolları | Optik dalga kılavuzları ve rezonatörler | Elektrik iletkenleri ve veri yolları |
| Frekans Kullanımı | Farklı dalga boylarında taşınan optik sinyaller | Sabit frekansta çalışan elektrik sinyalleri |
| Mantık Kapıları | Optik mantık kapıları | Elektronik mantık kapıları |
| Bellek İlişkisi | Geliştirilmekte olan optik bellek teknojileri | DRAM ve SRAM |
Çözümsel Farklılıklar
| Özellik | Optik Mikroişlemciler | Klasik Mikroişlemciler |
| Ölçeklendirme | Daha fazla paralel işlem sayesinde kapasite ölçeklendirme | Moore yasasına göre yavaşlayan ölçeklendirme |
| Latency | Düşük gecikme | Yarı iletken malzemelerde ki direnç ve kapasitif gecikmeler |
| Uygulama Alanları | Yapay zeka, büyük veri, kuantum bilgisayarlar | Genel amaç |
