Оптический компьютер: различия между версиями

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Интерактивная навигация по истории
(Показать все непатрулированные изменения)
[непроверенная версия][отпатрулированная версия]
← Предыдущая правкаСледующая правка →
Содержимое удалено Содержимое добавлено
ВизуальныйВики-текст
м опечатку исправил
дополнение
Строка 1: Строка 1:
'''Оптические''' или '''фотонные вычисления''' — вычисления, которые производятся с помощью фотонов, сгенерированных лазерами или диодами. Используя фотоны, возможно достигнуть более высокой скорости передачи сигнала, чем у электронов, которые используются в современных нам компьютерах.
'''Оптические''' или '''фотонные вычисления''' — вычисления, которые 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 полностью оптическом компьютере надобность преобразования сигнала из оптического в электронный и обратно в оптический полностью исчезает<ref>{{cite book |first=D.D. |last=Nolte |title=Mind at Light Speed: A New Kind of Intelligence |url=http://books.google.com/books?id=Q9lB-REWP5EC&pg=PA34 |date=2001 |publisher=Simon and Schuster |isbn=978-0-7432-0501-6 |page=34}}</ref>.
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 полностью оптическом компьютере надобность преобразования сигнала из оптического в электронный и обратно в оптический полностью исчезает<ref>{{cite book |first=D.D. |last=Nolte |title=Mind at Light Speed: A New Kind of Intelligence |url=http://books.google.com/books?id=Q9lB-REWP5EC&pg=PA34 |date=2001 |publisher=Simon and Schuster |isbn=978-0-7432-0501-6 |page=34}}</ref>.


==Оптические компоненты для обработки информации ==
== Оптические компоненты для обработки информации ==
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 {{нп3|оптический транзистор||en|Optical transistor}}. Один из возможных вариантов — использование материалов, которым свойственны некоторые эффекты [[Нелинейная оптика|нелинейной оптики]], в частности, нелинейный коэффициент преломления. Уже найдены материалы<ref>[http://www.rp-photonics.com/nonlinear_index.html Encyclopedia of Laser Physics and Technology - nonlinear index, Kerr effect<!-- Заголовок добавлен ботом -->]</ref> в которых интенсивность входящего света влияет на интенсивность света, проходящего через элемент, что сравнивают с [[вольт-амперная характеристика|вольт-амперной характеристикой (ВАХ)]] электронного транзистора. Подобные «оптические транзисторы»<ref>{{cite journal |last=Jain |first=K. |last2=Pratt, Jr. |first2=G. W. |title=Optical transistor |journal=Appl. Phys. Lett. |volume=28 |issue=12 |pages=719 |date=1976 |doi=10.1063/1.88627 }}</ref><ref name=jainprattpatent>Jain, K. and Pratt, Jr., G. W., "Optical transistors and logic circuits embodying the same", U.S. Pat. 4,382,660, issued May 10, 1983.</ref> могли бы использоваться для создания оптических [[логический вентиль|логических вентилей]],<ref name=jainprattpatent /> из которых собирались бы более сложные блоки процессора. Однако, многие нелинейные эффекты требуют сверхбольших интенсивностей управляющих сигналов.
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 {{нп3|оптический транзистор||en|Optical transistor}}. Один из возможных вариантов — использование материалов, которым свойственны некоторые эффекты [[Нелинейная оптика|нелинейной оптики]], в частности, нелинейный коэффициент преломления. Уже найдены материалы<ref>[http://www.rp-photonics.com/nonlinear_index.html Encyclopedia of Laser Physics and Technology — nonlinear index, Kerr effect<!-- Заголовок добавлен ботом -->]</ref> в которых интенсивность входящего света влияет на интенсивность света, проходящего через элемент, что сравнивают с [[вольт-амперная характеристика|вольт-амперной характеристикой (ВАХ)]] электронного транзистора. Подобные «оптические транзисторы»<ref>{{cite journal |last=Jain |first=K. |last2=Pratt, Jr. |first2=G. W. |title=Optical transistor |journal=Appl. Phys. Lett. |volume=28 |issue=12 |pages=719 |date=1976 |doi=10.1063/1.88627 }}</ref><ref name=jainprattpatent>Jain, K. and Pratt, Jr., G. W., «Optical transistors and logic circuits embodying the same», U.S. Pat. 4,382,660, issued May 10, 1983.</ref> могли бы использоваться для создания оптических [[логический вентиль|логических вентилей]],<ref name=jainprattpatent /> из которых собирались бы более сложные блоки процессора. Однако, многие нелинейные эффекты требуют сверхбольших интенсивностей управляющих сигналов.


== Критика ==
== Критика ==
Бытуют сомнения в возможностях оптических компьютеров, а также в том, смогут ли они конкурировать с полупроводниковыми электронными системами в быстродействии, [[энергоэффективность|энергоэффективности]], ценам и компактности. Критики отмечают<ref name="Tucker">{{cite journal |first=R.S. |last=Tucker |title=The role of optics in computing |journal=Nature Photonics |volume=4 |pages=405 |date=2010 |doi=10.1038/nphoton.2010.162 |url=http://www.nature.com/nphoton/journal/v4/n7/full/nphoton.2010.162.html}}</ref>, что логические системы требуют следующих возможностей от элементной базы: восстановление логических уровней, каскадируемость, возможность использования одного сигнала на входе нескольких элементов ([[:en:fan-out|fan-out]]), изоляции между входами и выходами. Все эти свойства технически просто реализуются в электронных транзисторами, при этом они чрезвычайно дешевы (при микроэлектронной реализации), имеют низкую тепловую выделяемую мощность и высокую скорость срабатывания (иначе: скорость реакции). Для того, чтобы оптическая логика была конкурентоспособной кроме как в нескольких нишевых применениях (например, передаче сигналов на большие расстояния, военные технологии в т. ч. боевые), требуются значительные прорывы в нелинейных оптических технологиях.
Бытуют сомнения{{чьи}} в возможностях оптических компьютеров, а также в том, смогут ли они конкурировать с полупроводниковыми электронными системами в быстродействии, [[энергоэффективность|энергоэффективности]], ценам и компактности. Критики отмечают<ref name="Tucker">{{cite journal |first=R.S. |last=Tucker |title=The role of optics in computing |journal=Nature Photonics |volume=4 |pages=405 |date=2010 |doi=10.1038/nphoton.2010.162 |url=http://www.nature.com/nphoton/journal/v4/n7/full/nphoton.2010.162.html}}</ref>, что логические системы требуют следующих возможностей от элементной базы: восстановление логических уровней, каскадируемость, возможность использования одного сигнала на входе нескольких элементов ([[:en:fan-out|fan-out]]), изоляции между входами и выходами. Все эти свойства технически просто реализуются в электронных транзисторами, при этом они чрезвычайно дешевы (при микроэлектронной реализации), имеют низкую тепловую выделяемую мощность и высокую скорость срабатывания (иначе: скорость реакции). Для того, чтобы оптическая логика была конкурентоспособной кроме как в нескольких нишевых применениях (например, передаче сигналов на большие расстояния, военные технологии в том числе боевые), требуются значительные прорывы в нелинейных оптических технологиях.


== Заблуждения, проблемы и перспективы==
== Заблуждения, проблемы и перспективы ==
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 уже в настоящее время каналы связи реализуют с помощью оптики. Имеется тенденция при увеличении скоростей передачи информации заменять все более короткие электронные каналы оптическими<ref>[http://www.computerweekly.com/feature/Will-Silicon-Photonics-replace-the-humble-copper-cabling-in-mainstream-datacentres Will silicon photonics replace copper cabling in mainstream datacentres?<!-- Заголовок добавлен ботом -->]</ref><ref>[http://photonicswiki.org/index.php?title=The_Need_for_Photonic_Integration The Need for Photonic Integration - CMDITRWIKI<!-- Заголовок добавлен ботом -->]</ref>, в частности оптические кабели становятся более популярными чем медные для высокоскоростных версий Ethernet (10G, 40G, 100G) даже при длине в не более 10 метров.
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 уже в настоящее время каналы связи реализуют с помощью оптики. Имеется тенденция при увеличении скоростей передачи информации заменять все более короткие электронные каналы оптическими<ref>[http://www.computerweekly.com/feature/Will-Silicon-Photonics-replace-the-humble-copper-cabling-in-mainstream-datacentres Will silicon photonics replace copper cabling in mainstream datacentres?<!-- Заголовок добавлен ботом -->]</ref><ref>[http://photonicswiki.org/index.php?title=The_Need_for_Photonic_Integration The Need for Photonic Integration — CMDITRWIKI<!-- Заголовок добавлен ботом -->]</ref>, в частности оптические кабели становятся более популярными чем медные для высокоскоростных версий Ethernet (10G, 40G, 100G) даже при длине в не более 10 метров.


Значительной проблемой для оптического компьютера является нелинейность процесса взаимодействия нескольких сигналов. Свет представляет собой электромагнитную волну, которая не может взаимодействовать с другой<!-- другая = нет интерференции--> электромагнитной волной в пустом пространстве, — срабатывает [[принцип суперпозиции]]. Взаимодействие возможно лишь в присутствии электронов в материале{{уточнить}}, 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.
Значительной проблемой для оптического компьютера является нелинейность процесса взаимодействия нескольких сигналов. Свет представляет собой электромагнитную волну, которая не может взаимодействовать с другой<!-- другая = нет интерференции--> электромагнитной волной в пустом пространстве, — срабатывает [[принцип суперпозиции]]. Взаимодействие возможно лишь в присутствии электронов в материале{{уточнить}}, 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 ==
== Варианты логики ==

Фотонная логика использует фотоны света в логических вентилях (таких как NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR). Переключение реализуется за счет нелинейных оптических эффектов, вызываемых одним оптическим сигналом, и воздействующих на другой оптический сигнал.<ref name=jainprattpatent />{{не АИ|14|05|2015}}
Фотонная логика использует фотоны света в логических вентилях (таких как NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR). Переключение реализуется за счет нелинейных оптических эффектов, вызываемых одним оптическим сигналом, и воздействующих на другой оптический сигнал.<ref name=jainprattpatent />{{не АИ|14|05|2015}}


Строка 23: Строка 22:


== Преимущества оптических технологий ==
== Преимущества оптических технологий ==
⚫
* Снижается потребляемая мощность<ref name="EOI">{{книга
⚫
* {{нет АИ 2|Принципиальное повышение производительности|14|05|2015}}
| автор = Javier Aracil, Franco Callegati
| заглавие = Enabling Optical Internet with Advanced Network Technologies
| издательство = Springer Science & Business Media
| год = 2009
| pages = 156
| isbn = 978-1-84882-278-8
}}</ref>
⚫
* Принципиальное повышение производительности<ref name="EOI" />
* {{нет АИ 2|Возможное уменьшение размеров элементов схем|14|05|2015}}
* {{нет АИ 2|Возможное уменьшение размеров элементов схем|14|05|2015}}
⚫
* {{нет АИ 2|Снижается потребляемая мощность|14|05|2015}}
* Пониженное тепловыделение
* Пониженное тепловыделение


Строка 31: Строка 37:


=== Оптический компьютер компании ''«Bell Labs»'' ===
=== Оптический компьютер компании ''«Bell Labs»'' ===

Первый макет оптического компьютера был создан в 1990 году группой Алана Хуана в [[Bell Labs]]<ref name="xakep">[http://www.xakep.ru/magazine/xs/055/012/1.asp Денис Колисниченко, Оптические процессоры от и до, журнал: Хакер, номер #055, стр. 055-012-1]{{dead link|число=14|месяц=05|год=2015}}</ref><ref name="NetworkWorld90">{{статья
Первый макет оптического компьютера был создан в 1990 году группой Алана Хуана в [[Bell Labs]]<ref name="xakep">[http://www.xakep.ru/magazine/xs/055/012/1.asp Денис Колисниченко, Оптические процессоры от и до, журнал: Хакер, номер #055, стр. 055-012-1]{{dead link|число=14|месяц=05|год=2015}}</ref><ref name="NetworkWorld90">{{статья
| автор = Borsook P.
| автор = Borsook P.
Строка 44: Строка 49:
| страницы = 71
| страницы = 71
}}
}}
</ref>. Процессор второго поколения носил название «[[DOC-II]]» ({{lang-en|Digital Optical Computer}} — цифровой оптический компьютер). В нём использовалось 64 лазерных излучателя, матричный пространственный модулятор 64х128 (элементы матрицы - ячейки Брэгга GaP) и 128 фотодетекторов.
</ref>. Процессор второго поколения носил название «[[DOC-II]]» ({{lang-en|Digital Optical Computer}} — цифровой оптический компьютер). В нём использовалось 64 лазерных излучателя, матричный пространственный модулятор 64х128 (элементы матрицы — ячейки Брэгга GaP) и 128 фотодетекторов.


По заявлениям авторов он был способен проверять до 80 тыс. страниц текста в [[секунда|секунду]] при выполнении команды поиска слова.
По заявлениям авторов он был способен проверять до 80 тыс. страниц текста в [[секунда|секунду]] при выполнении команды поиска слова.


=== Оптический компьютер компании ''«Lenslet»'' ===
=== Оптический компьютер компании ''«Lenslet»'' ===
Компанией ''«[[Lenslet]]»'' в 2003 году был продемонстрирован оптический DSP-процессор [[EnLight256]]<ref name="xakep" /><ref>''[[Киви Бёрд]].'' [http://www.computerra.ru/hitech/novat/30898/ Да будет свет!] — [[Компьютерра]].</ref><ref>[http://www.thirdwave.de/3w/tech/optical/EnLight256.pdf Информация от Lenslet Ltd ]; [http://besho.narod.ru/reviews/newage/EnLight256.pdf]</ref>. 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<sup>12</sup> элементарных операций над 8-битными целыми в секунду. 256 лазеров излучают аналоговые сигналы, освещают пространственно-световой модулятор MQWSLM размером 256x256 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.
Компанией ''«[[Lenslet]]»'' в 2003 году был продемонстрирован оптический DSP-процессор [[EnLight256]]<ref name="xakep" /><ref>''[[Киви Бёрд]].'' [http://www.computerra.ru/hitech/novat/30898/ Да будет свет!] — [[Компьютерра]].</ref><ref>[http://www.thirdwave.de/3w/tech/optical/EnLight256.pdf Информация от Lenslet Ltd ]; [http://besho.narod.ru/reviews/newage/EnLight256.pdf]</ref>. 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<sup>12</sup> элементарных операций над 8-битными целыми в секунду. 256 лазеров излучают аналоговые сигналы, освещают пространственно-световой модулятор MQWSLM размером 256x256 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 (модулятор 64x64) изучался в ORNL, на нём была проверена работа дискретного преобразования Фурье с 8-битной точностью. Были замечены шумы квантования для результатов с малой интенсивностью, однако были обнаружены все спектральные максимумы<ref>[http://web.ornl.gov/~hqt/publications/CrownCom2010_Barhen.pdf High Performance FFT on Multicore Processors], J. Barhen (ORNL), 2010 - pages 2-3 II. DIGITAL OPTICAL CORE PROCESSOR</ref>
Демонстрационный процессор EnLight Alpha (модулятор 64x64) изучался в ORNL, на нём была проверена работа дискретного преобразования Фурье с 8-битной точностью. Были замечены шумы квантования для результатов с малой интенсивностью, однако были обнаружены все спектральные максимумы<ref>[http://web.ornl.gov/~hqt/publications/CrownCom2010_Barhen.pdf High Performance FFT on Multicore Processors], J. Barhen (ORNL), 2010 — pages 2-3 II. DIGITAL OPTICAL CORE PROCESSOR</ref>


== Разработка технологии и компонентов ==
== Разработка технологии и компонентов ==
Строка 73: Строка 78:
* {{статья |автор = П. А. Белов, В. Г. Беспалов, В. Н. Васильев, С. А. Козлов, А. В. Павлов, К. Р. Симовский, Ю. А. Шполянский |заглавие = Оптические процессоры: достижения и новые идеи. |издание= В кн.: Проблемы когерентной и нелинейной оптики | место = СПб | год = 2006 | страницы =6 — 36 | ссылка=http://comp.ilc.edu.ru/assets/files/lection14/14.34_Opticheskie_processori_-_Dostijeniya_i_novie_idei.pdf}}
* {{статья |автор = П. А. Белов, В. Г. Беспалов, В. Н. Васильев, С. А. Козлов, А. В. Павлов, К. Р. Симовский, Ю. А. Шполянский |заглавие = Оптические процессоры: достижения и новые идеи. |издание= В кн.: Проблемы когерентной и нелинейной оптики | место = СПб | год = 2006 | страницы =6 — 36 | ссылка=http://comp.ilc.edu.ru/assets/files/lection14/14.34_Opticheskie_processori_-_Dostijeniya_i_novie_idei.pdf}}


* K.-H. Brenner, Alan Huang: "Logic and architectures for digital optical computers (A)", J. Opt. Soc. Am., A 3, 62, (1986)
* K.-H. Brenner, Alan Huang: «Logic and architectures for digital optical computers (A)», J. Opt. Soc. Am., A 3, 62, (1986)
* {{cite book |title=Optical Computing: A Survey for Computer Scientists |last=Feitelson |first=Dror G. |date=1988 |publisher=MIT Press |location=Cambridge, MA |isbn=0-262-06112-0}}
* {{cite book |title=Optical Computing: A Survey for Computer Scientists |last=Feitelson |first=Dror G. |date=1988 |publisher=MIT Press |location=Cambridge, MA |isbn=0-262-06112-0}}
* {{cite book |title=Optical Computer Architectures: The Application of Optical Concepts to Next Generation Computers |last=McAulay |first=Alastair D. |date=1991 |publisher=John Wiley & Sons |location=New York, NY |isbn=0-471-63242-2}}
* {{cite book |title=Optical Computer Architectures: The Application of Optical Concepts to Next Generation Computers |last=McAulay |first=Alastair D. |date=1991 |publisher=John Wiley & Sons |location=New York, NY |isbn=0-471-63242-2}}
*{{cite book |editor-first=J. |editor-last=Jahns |editor2-first=S.H. |editor2-last=Lee |title=Optical Computing Hardware: Optical Computing |url=http://books.google.com/books?id=SqCjBQAAQBAJ |date=1993 |publisher=Elsevier Science |isbn=978-1-4832-1844-1}}
* {{cite book |editor-first=J. |editor-last=Jahns |editor2-first=S.H. |editor2-last=Lee |title=Optical Computing Hardware: Optical Computing |url=http://books.google.com/books?id=SqCjBQAAQBAJ |date=1993 |publisher=Elsevier Science |isbn=978-1-4832-1844-1}}
* [[Debabrata Goswami|D. Goswami]], "Optical Computing", Resonance, June 2003; ibid July 2003. [http://web.archive.org/web/20071215005609/http://www.iisc.ernet.in/academy/resonance/June2003/June2003p56-71.html Web Archive of www.iisc.ernet.in/academy/resonance/July2003/July2003p8-21.html]
* [[Debabrata Goswami|D. Goswami]], «Optical Computing», Resonance, June 2003; ibid July 2003. [http://web.archive.org/web/20071215005609/http://www.iisc.ernet.in/academy/resonance/June2003/June2003p56-71.html Web Archive of www.iisc.ernet.in/academy/resonance/July2003/July2003p8-21.html]


== Ссылки ==
== Ссылки ==
Строка 92: Строка 97:
}}
}}


{{rq|isbn}}
{{Классы компьютеров}}
{{Классы компьютеров}}


Версия от 10:00, 22 декабря 2015

Оптические или фотонные вычисления — вычисления, которые 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 полностью оптическом компьютере надобность преобразования сигнала из оптического в электронный и обратно в оптический полностью исчезает[1].

Оптические компоненты для обработки информации

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.]. 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

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 элементной базы: восстановление логических уровней, каскадируемость, возможность использования одного сигнала на входе нескольких элементов (fan-out), изоляции между входами и выходами. Все эти свойства технически просто реализуются в электронных транзисторами, при этом они чрезвычайно дешевы (при микроэлектронной реализации), имеют низкую тепловую выделяемую мощность и высокую скорость срабатывания (иначе: скорость реакции). Для того, чтобы оптическая логика была конкурентоспособной кроме как в нескольких нишевых применениях (например, передаче сигналов на большие расстояния, военные технологии в том числе боевые), требуются значительные прорывы в нелинейных оптических технологиях.

Заблуждения, проблемы и перспективы

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 уже в настоящее время каналы связи реализуют с помощью оптики. Имеется тенденция при увеличении скоростей передачи информации заменять все более короткие электронные каналы оптическими[6][7], в частности оптические кабели становятся более популярными чем медные для высокоскоростных версий Ethernet (10G, 40G, 100G) даже при длине в не более 10 метров.

Значительной проблемой для оптического компьютера является нелинейность процесса взаимодействия нескольких сигналов. Свет представляет собой электромагнитную волну, которая не может взаимодействовать с другой электромагнитной волной в пустом пространстве, — срабатывает принцип суперпозиции. Взаимодействие возможно лишь в присутствии электронов в материале[уточнить], 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

Фотонная логика использует фотоны света в логических вентилях (таких как NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR). Переключение реализуется за счет нелинейных оптических эффектов, вызываемых одним оптическим сигналом, и воздействующих на другой оптический сигнал.[4][неавторитетный источник]

В реализации фотонной логики могут быть полезны 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.[8]

Преимущества оптических технологий

  • Снижается потребляемая мощность[9]
  • Принципиальное повышение производительности[9]
  • Возможное уменьшение размеров элементов схем[источник не указан 3300 дней]
  • Пониженное тепловыделение

Первые оптические компьютеры

Оптический компьютер компании «Bell Labs»

Первый макет оптического компьютера был создан в 1990 году группой Алана Хуана в Bell Labs[10][11]. Процессор второго поколения носил название «DOC-II» (англ. Digital Optical Computer — цифровой оптический компьютер). В нём использовалось 64 лазерных излучателя, матричный пространственный модулятор 64х128 (элементы матрицы — ячейки Брэгга GaP) и 128 фотодетекторов.

По заявлениям авторов он был способен проверять до 80 тыс. страниц текста в секунду при выполнении команды поиска слова.

Оптический компьютер компании «Lenslet»

Компанией «Lenslet» в 2003 году был продемонстрирован оптический DSP-процессор EnLight256[10][12][13]. 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 8×1012 элементарных операций над 8-битными целыми в секунду. 256 лазеров излучают аналоговые сигналы, освещают пространственно-световой модулятор MQWSLM размером 256x256 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 (модулятор 64x64) изучался в ORNL, на нём была проверена работа дискретного преобразования Фурье с 8-битной точностью. Были замечены шумы квантования для результатов с малой интенсивностью, однако были обнаружены все спектральные максимумы[14]

Разработка технологии и компонентов

2008 год — исследователи из компании IBM представили оптический коммутатор, который обеспечивает пакетную передачу данных со скоростью более 1 Тбит/сек [15].

2009 год — профессорами Массачусетского технологического института Владимиром Стояновичем и Радживом Ремом было предложено использовать для создания оптоэлектронных устройств, в том числе и оптических процессоров, обычный технологический процесс изготовления полупроводниковых процессоров, основанный на 32-нм технологии. По их расчётам, это позволит достигнуть большего прогресса[16].

См. также

Примечания

  1. ↑ Nolte, D.D. Mind at Light Speed: A New Kind of Intelligence. — Simon and Schuster, 2001. — P. 34. — ISBN 978-0-7432-0501-6.
  2. ↑ Encyclopedia of Laser Physics and Technology — nonlinear index, Kerr effect
  3. ↑ Jain, K.; Pratt, Jr., G. W. (1976). "Optical transistor". Appl. Phys. Lett. 28 (12): 719. doi:10.1063/1.88627.
  4. ↑ 1 2 3 Jain, K. and Pratt, Jr., G. W., «Optical transistors and logic circuits embodying the same», U.S. Pat. 4,382,660, issued May 10, 1983.
  5. ↑ Tucker, R.S. (2010). "The role of optics in computing". Nature Photonics. 4: 405. doi:10.1038/nphoton.2010.162.
  6. ↑ Will silicon photonics replace copper cabling in mainstream datacentres?
  7. ↑ The Need for Photonic Integration — CMDITRWIKI
  8. ↑ Witlicki, Edward H.; Johnsen, Carsten; Hansen, Stinne W.; Silverstein, Daniel W.; Bottomley, Vincent J.; Jeppesen, Jan O.; Wong, Eric W.; Jensen, Lasse; Flood, Amar H. (2011). "Molecular Logic Gates Using Surface-Enhanced Raman-Scattered Light". J. Am. Chem. Soc. 133 (19): 7288—91. doi:10.1021/ja200992x.
  9. ↑ 1 2 Javier Aracil, Franco Callegati. Enabling Optical Internet with Advanced Network Technologies. — Springer Science & Business Media, 2009. — P. 156. — ISBN 978-1-84882-278-8.
  10. ↑ 1 2 Денис Колисниченко, Оптические процессоры от и до, журнал: Хакер, номер #055, стр. 055-012-1 (недоступная ссылка с 14-05-2015 [3300 дней])
  11. ↑ Borsook P. Alan Huang (англ.) // Network World. — 1990. — Vol. 7, no. 32. — P. 71.
  12. ↑ Киви Бёрд. Да будет свет! — Компьютерра.
  13. ↑ Информация от Lenslet Ltd ; [1]
  14. ↑ High Performance FFT on Multicore Processors, J. Barhen (ORNL), 2010 — pages 2-3 II. DIGITAL OPTICAL CORE PROCESSOR
  15. ↑ Исследователи IBM разрабатывают самый миниатюрный в мире нанофотонный коммутатор для маршрутизации оптических данных между ядрами в будущих процессорных чипах // IBM 2008
  16. ↑ 3DNews: Новости Hardware, 25.11.2009, Денис Борн

Литература

  • Волноводная оптоэлектроника. — Под редакцией Т. Тамира. Перевод с англ. А. П. Горобца, Г. В. Корнюшенко, Т. К. Чехловой, В. И. Аникина. — Москва. — «Мир», 1991.
  • Системы обработки информации. Волоконно-оптический распределительный интерфейс передачи данных (ВОРИПД). — М.: Госстандарт России, 1997. — 120 с.
  • Гребнев А. К., Гридин В. Н., Дмитриев В. П. Оптоэлектронные элементы и устройства. — Издательство «Радио и связь», 1998.
  • А. М. Юшин Справочник. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги. — Т.1., Радиософт. — Москва, 1998.
  • П. А. Белов, В. Г. Беспалов, В. Н. Васильев, С. А. Козлов, А. В. Павлов, К. Р. Симовский, Ю. А. Шполянский. Оптические процессоры: достижения и новые идеи. // В кн.: Проблемы когерентной и нелинейной оптики. — СПб., 2006. — С. 6 — 36.

Ссылки

  • Belleman R., Kuipers T., Luttik B. Optical Computing (англ.). Universiteit van Amsterdam. — Дополнение к курсу «Архитектура и параллельных вычислений» факультета математики и компьютерных наук Университета Амстердама. Дата обращения: 5 апреля 2011. Архивировано 23 августа 2011 года.
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Оптический_компьютер&oldid=75246714