Оптический компьютер

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

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.

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[править | править вики-текст]

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 свойствены 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 вики-текст]

Бытуют сомнения в возможностях оптических компьютеров, а также в том, смогут ли они конкурировать с полупроводниковыми электронными системами в бстродействии, 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 т. ч. боевые), требуются значительные прорывы в нелинейных оптических технологиях.

Заблуждения, проблемы и перспективы[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

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? 51 день]

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[править | править вики-текст]

Первые оптические компьютеры[править | править вики-текст]

Оптический компьютер компании «Bell Labs»[править | править вики-текст]

Первый макет оптического компьютера был создан в 1990 году группой Алана Хуана в Bell Labs[9][10]. 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»[править | править вики-текст]

Компанией «Lenslet» в 2003 году был продемонстрирован оптический DSP-процессор EnLight256[9][11][12]. 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[13]

Разработка технологии и компонентов[править | править вики-текст]

2008 год — исследователи из компании IBM представили оптический коммутатор, который обеспечивает пакетную передачу данных со скоростью более 1 Тбит/сек [14].

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[15].

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Nolte D.D. Mind at Light Speed: A New Kind of Intelligence. — Simon and Schuster. — P. 34. — ISBN 978-0-7432-0501-6.
  2. Encyclopedia of Laser Physics and Technology - nonlinear index, Kerr effect
  3. Jain, K. (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. (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 Денис Колисниченко, Оптические процессоры от и до, журнал: Хакер, номер #055, стр. 055-012-1(недоступная ссылка с 14-05-2015 (51 день))
  10. Borsook P. Alan Huang (англ.) // Network World. — 1990. — Т. 7. — № 32. — С. 71.
  11. Киви Бёрд. Да будет свет!Компьютерра.
  12. Информация от Lenslet Ltd ; [1]
  13. High Performance FFT on Multicore Processors, J. Barhen (ORNL), 2010 - pages 2-3 II. DIGITAL OPTICAL CORE PROCESSOR
  14. Исследователи IBM разрабатывают самый миниатюрный в мире нанофотонный коммутатор для маршрутизации оптических данных между ядрами в будущих процессорных чипах // IBM 2008
  15. 3DNews: Новости Hardware, 25.11.2009, Денис Борн

Литература[править | править вики-текст]

  • 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[править | править вики-текст]