Содержание
- 1 Содержание
- 2 Оптические компоненты для обработки информации [ править | править код ]
- 3 Критика [ править | править код ]
- 4 Заблуждения, проблемы и перспективы [ править | править код ]
- 5 Варианты логики [ править | править код ]
- 6 Предполагаемые преимущества оптических технологий [ править | править код ]
- 7 Недостатки оптических технологий [ править | править код ]
- 8 Оптические компьютеры, основанные на пространственных модуляторах [ править | править код ]
- 9 Разработка родственных технологий и компонентов [ править | править код ]
Оптические или фотонные вычисления — гипотетические вычислительные устройства, вычисления в которых производятся с помощью фотонов, сгенерированных лазерами или диодами.
Большинство исследований фокусируется на замене обычных (электронных) компонентов компьютера на их оптические эквиваленты. Результатом станет новая цифровая компьютерная система для обработки двоичных данных. Такой подход дает возможность в краткосрочной перспективе разработать технологии для коммерческого применения, поскольку оптические компоненты могут быть внедрены в стандартные компьютеры, сначала создавая гибридные системы, а впоследствии и полностью фотонные. Однако опто-электронные приборы теряют 30 % энергии на конвертацию электронов в фотоны и обратно. Это также замедляет передачу информации в опто-электронных повторителях. [1] . В полностью оптическом компьютере надобность преобразования сигнала из оптического в электронный и обратно в оптический полностью исчезает.
Содержание
Оптические компоненты для обработки информации [ править | править код ]
Фундаментальным компонентом электронных компьютеров является управляемый электронный переключатель, которым чаще всего выступает транзистор. Для замены электронной логики оптической при одновременном сохранении существующей концептуальной логической схемотехники потребуется реализовать оптический транзистор (англ.) русск. . Один из возможных вариантов — использование материалов, которым свойственны некоторые эффекты нелинейной оптики, в частности, нелинейный коэффициент преломления. Уже найдены материалы [2] в которых интенсивность входящего света влияет на интенсивность света, проходящего через элемент, что сравнивают с вольт-амперной характеристикой (ВАХ) электронного транзистора. Подобные «оптические транзисторы» [3] [4] могли бы использоваться для создания оптических логических вентилей, [4] из которых собирались бы более сложные блоки процессора. Однако, многие нелинейные эффекты требуют сверхбольших интенсивностей управляющих сигналов.
Критика [ править | править код ]
Бытуют сомнения [ чьи? ] в возможностях оптических компьютеров, а также в том, смогут ли они конкурировать с полупроводниковыми электронными системами в быстродействии, энергоэффективности, ценам и компактности. Критики отмечают [5] , что логические системы требуют следующих возможностей от нелинейной элементной базы: восстановление логических уровней, каскадируемость, возможность использования нескольких входных сигналов одним элементом (fan-in) и выдачи сигнала на вход нескольких элементов (fan-out) [6] [7] , изоляции между входами и выходами. Все эти свойства технически просто реализуются в электронных транзисторах, при этом они чрезвычайно дешевы (при микроэлектронной реализации), имеют низкую тепловую выделяемую мощность и высокую скорость срабатывания. По состоянию на 2010 год не было представлено оптических элементов или схем (пассивных или активных), которые бы имели необходимые возможности и при этом были бы столь же компактны и энергоэффективны, как электронные транзисторы [5] . Для того, чтобы оптическая логика была конкурентоспособной, требуется фундаментальный прорыв в функциональности, энергопотреблении и компактности оптических элементов; разработка оптической памяти и технологий массового производства [5] . Также предполагается, что оптические вычислительные системы не предоставят какой-либо возможности ускорения обработки информации, поскольку, как и с электронными транзисторами, частота переключения, вероятно, будет ограничена энергопотреблением [5] .
Оптические элементы применяются лишь в нескольких нишевых областях, например, для передачи сигналов на большие расстояния (благодаря низким потерям при распространении [5] ), при этом каких либо вычислений в оптических системах не производится.
Заблуждения, проблемы и перспективы [ править | править код ]
Часто заявляется, что эксплуатация оптических компьютеров будет менее энергозатратной, однако оптические системы при передаче информации на малых расстояниях зачастую вынуждены использовать большие мощности, чем электрические и электронные. Это вызвано тем, что дробовой шум в оптических каналах выше, чем тепловой шум в электрических каналах, — из-за этого требуется более высокий уровень сигнала для сохранения соотношения сигнал/шум при реализации высокоскоростного канала. Лишь при увеличении длины канала связи потери в электрических каналах нарастают быстрее, чем в оптических, поэтому длинные высокоскоростные каналы связи уже в настоящее время реализуют с помощью оптики. Имеется тенденция при увеличении скоростей передачи информации заменять все более короткие электронные каналы оптическими [8] [9] , в частности оптические кабели становятся более популярными, чем медные для высокоскоростных версий Ethernet (10G, 40G, 100G) даже при длине не более 10 метров.
Значительной проблемой для полностью оптической обработки информации является слабое взаимодействие нескольких оптических сигналов. Свет представляет собой электромагнитную волну, которая не может взаимодействовать с другой электромагнитной волной в пустом пространстве, — срабатывает принцип суперпозиции. Взаимодействие возможно лишь в нелинейных материалах [10] , и сила такого взаимодействия для электромагнитных волн (света) значительно ниже, чем для электронных сигналов в традиционных компьютерах. Из-за этого переключающие элементы оптического компьютера требуют больших мощностей и больших размеров, чем существующие электронные транзисторы.
Варианты логики [ править | править код ]
Фотонная логика гипотетически должна использовать фотоны света [ уточнить ] в логических вентилях (таких как NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR). Переключение могло бы реализоваться за счет нелинейных оптических эффектов, вызываемых одним оптическим сигналом и воздействующих на другой оптический сигнал. [4] [ неавторитетный источник? ] [ нет в источнике ]
В реализации фотонной логики могут быть необходимы оптические резонаторы, увеличивающие энергию за счет конструктивной интерференции и упрощающие инициацию нелинейных эффектов.
Другим исследуемым подходом является фотонная логика на молекулярном уровне, с использованием эффекта фотолюминисценции. В 2011 году Witlicki и др. продемонстрировали логические операции на молекулах с использованием рамановской спектроскопии SERS [en] . [11]
Предполагаемые преимущества оптических технологий [ править | править код ]
- Возможное снижение энергопотребления и тепловыделения;
- Вероятное повышение пределов производительности;
Недостатки оптических технологий [ править | править код ]
- По состоянию на 2009 год в полностью оптических схемах остается недоступной память и операции над битами, поэтому такие технологии находят применение лишь пока в коммутации оптических сигналов по длинам волн и волокнам (в частности, в OADM[en] ) [12] .
Оптические компьютеры, основанные на пространственных модуляторах [ править | править код ]
Несколько компаний представляли прототипы опто-электрических аналоговых систем, использующих пространственные модуляторы, управляемые электричеством. Создателями данных установок предлагалось несколько алгоритмов, которые могут быть решены подобными системами.
- Оптический компьютер компании «Bell Labs»
Первый макет оптического компьютера был создан в 1990 году группой Алана Хуана в Bell Labs [13] [14] и получил противоречивые отзывы [15] . Следующий прототип 1991 года носил название «DOC-II» (англ. Digital Optical Computer — цифровой оптический компьютер) [16] [17] . В нём использовалось 64 лазерных излучателя, матричный пространственный модулятор 64х128 (элементы матрицы — ячейки Брэгга GaP) и 128 фотодетекторов, оптическая схема могла выполнять векторно-матричное умножение над булевыми значениями.
По заявлениям авторов он был способен проверять до 80 тыс. страниц текста в секунду при выполнении команды поиска слова. [ источник не указан 1425 дней ]
- Оптический компьютер компании «Lenslet»
Компанией «Lenslet» в 2003 году был продемонстрирован оптический DSP-процессор EnLight256 [13] [18] [19] . Особенностью его архитектуры является то, что, в то время как процессорное ядро основано на аналоговых оптических технологиях, все входы, выходы и управляющие схемы — электронные. Этот процессор способен выполнять, по заявлениям авторов, до 8×10 12 элементарных операций над 8-битными целыми в секунду. 256 лазеров излучают аналоговые сигналы, освещают пространственно-световой модулятор MQWSLM размером 256×256 ячеек (с электронным управлением), и 256 фотодетекторов считывают аналоговый результат. Таким образом, процессор выполняет векторно-матричную операцию. Управляющая матрица MQWSLM может перенастраиваться несколько миллионов раз в секунду.
Демонстрационный процессор EnLight Alpha (с модулятором 64×64) изучался в ORNL, на нём была проверена работа дискретного преобразования Фурье с 8-битной точностью. Несмотря на шумы квантования для результатов с малой интенсивностью, при проверке схемой были успешно найдены все спектральные максимумы [20]
Разработка родственных технологий и компонентов [ править | править код ]
2008 год — исследователи из компании IBM представили экспериментальный оптический коммутатор на чипе, использующий кремниевые отражающие резонаторы, который обеспечивал пакетную передачу данных со скоростью более 1 Тбит/сек [21] [22] .
2009 год — профессорами Массачусетского технологического института Владимиром Стояновичем и Радживом Ремом был предложен способ создания волноводов непосредственно на кремниевых чипах, на которых реализованы полупроводниковые процессоры. Также ими были продемонстрированы интегрированные на чип кремниевые управляемые резонаторы, которые могут выделять из входного сигнала отдельные длины волн [23] [24] .
Проблемы и перспективы развития КС
Опасность не в том, что машина начинает уподобляться человеку, а в том, что человек превращается в подобие машины.
Сидней Харрис
С точки зрения создания качественно новых высокопроизводительных вычислительных систем можно перечислить, например, нанокомпьютеры, оптические, квантовые, молекулярные (клеточные и ДНК-процессоры), коммуникационные, нейронные компьютеры и компьютеры с многозначной (нечеткой) логикой.
Наиболее перспективными (поскольку современная элементная и технологическая база имеет все необходимое для их создания) считаются оптические, квантовые и нейронные компьютеры.
Оптические компьютеры
Носитель информации – световой поток (не обязательно видимого диапазона). Работы ведутся по трем основным направлениям:
1. Использование аналоговых интерференционных оптических вычислений для решения отдельных специальных задач, связанных с необходимостью быстрого выполнения интегральных преобразований.
2. Использование оптических соединений вместо обычных электрических для передачи сигналов на различных стадиях традиционной обработки. При этом в конструкции компьютера появляются новые элементы – оптоэлектронные преобразователи электрических сигналов в оптические и обратно.
3. Создание компьютера, полностью состоящего из оптических устройств обработки информации. Это направление интенсивно развивают с начала 80-х годов ведущие научные центры (MTI, Sandia Laboratories и др.) и основные компании-производители компьютерного оборудования (Intel, IBM).
В основе работы различных компонентов оптического компьютера лежит явление оптической бистабильности. Это одно из проявлений взаимодействия света с веществом, при котором определенной интенсивности и поляризации падающего на вещество излучения соответствуют два (аналог 0 и 1) возможных состояния световой волны.
Увеличение интенсивности падающего на вещество светового луча до некоторого значения I1 приводит к резкому возрастанию интенсивности прошедшего луча; при уменьшении интенсивности падающего луча до некоторого значения I2
Потенциальные преимущества перед электрическими сигналами:
1. световые потоки, в отличие от электрических, могут пересекаться друг с другом;
2. световые потоки могут быть локализованы в поперечном направлении до нанометровых размеров и передаваться по свободному пространству;
3. скорость распространения светового сигнала выше скорости электрического;
4. взаимодействие световых потоков со средой распределено по всей среде (в отличие от полупроводниковой структуры), что позволяет эффективно создавать параллельные архитектуры.
5. крайне низкое энергопотребление (примерно на 2 порядка ниже);
6. нечувствительность к электромагнитным помехам.
В книжной версии
Том 24. Москва, 2014, стр. 297
Скопировать библиографическую ссылку:
ОПТИ́ЧЕСКИЙ КОМПЬЮ́ТЕР, программно управляемое устройство для обработки, хранения и передачи информации, в котором осн. носителем информации является оптическое излучение. По сравнению с электрич. сигналами оптическое излучение имеет ряд преимуществ благодаря следующим свойствам: 1) пропускная способность информац. канала, обусловленная частотой оптич. излучения (10 12 –10 16 Гц), может составлять сотни Тбит/с; 2) передача информации происходит со скоростью света; 3) в линейной среде световые пучки распространяются независимо друг от друга; 4) информацию можно кодировать посредством частотных, фазовых, амплитудных, поляризационных и временны́х переменных электрич. поля световой волны; 5) световые поля могут быть двумерными (изображения) или трёхмерными (голограммы); 6) нечувствительность к электромагнитным помехам. В полностью оптическом компьютере электронные схемы и провода будут заменены микролазерами, волноводами, фотонно-кристаллич. структурами и др. элементами нанофотоники , которые сделают его значительно менее затратным энергетически, более лёгким и компактным и, по оценкам, позволят увеличить скорость вычислений на 7 порядков.