Оптический компьютер

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

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.

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 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 вики-текст]

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 транзисторами, 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 применениях, 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 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[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 вики-текст]

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? 434 дня][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 SERSruen.[11]

Преимущества оптических технологий[править | править вики-текст]

  • Снижаются энергопотребление и, следовательно, тепловыделение;
  • Принципиальное повышение производительности (для начала взятие барьера, непосильного для электронных компьютеров);
  • Возможное дальнейшая миниатюризация элементов схем;

Недостатки оптических технологий[править | править вики-текст]

  • 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 (англ.))[12].

Оптические компьютеры, основанные на пространственных модуляторах[править | править вики-текст]

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 212 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 8×1012 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 (с модулятором 64x64) 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 вики-текст]

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].

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. 1 2 3 4 5 Tucker, R.S. (2010). «The role of optics in computing». Nature Photonics 4: 405. DOI:10.1038/nphoton.2010.162.
  6. Эта операция может потребовать применения встроенных усилителей сигнала, что увеличит задержки элемента и снизит плотность размещения элементов
  7. Lianhua Ji, V.P. Heuring. Impact of gate fan-in and fan-out limits on optoelectronic digital circuits. Applied Optics Vol.36, No 17, 10 june 1997 pp3927-3940
  8. Will silicon photonics replace copper cabling in mainstream datacentres?
  9. The Need for Photonic Integration — CMDITRWIKI
  10. Dan Gauthier, Andrew Dawes, Lucas Illing, and Susan Clark., All-optical switching: Introduction to all-optical switching "In vacuum, or in air, light beams simply pass through one another without interacting. Therefore, in vacuum, it is not possible to change the direction of one beam of light with another. On the other hand, in a nonlinear material, a light beam of sufficient strength changes the optical properties of the material which in turn affects any beams of light also propagating through the material."
  11. 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.
  12. Javier Aracil, Franco Callegati. Enabling Optical Internet with Advanced Network Technologies. — Springer Science & Business Media, 2009. — P. 156. — ISBN 978-1-84882-278-8.
  13. 1 2 Денис Колисниченко, Оптические процессоры от и до // журнал Хакер, номер #055, стр. 055-012-1](недоступная ссылка с 14-05-2015 (434 дня)) (копия)
  14. Borsook P. Alan Huang (англ.) // Network World. — 1990. — Vol. 7, no. 32. — P. 71.
  15. Chapter 2: Architectures. 2.2.2 Bell Labs. architecture / Henri H. Arsenault, Yunlong Sheng. An Introduction to Optics in Computers. Volume 8 of Tutorial texts in optical engineering - SPIE Press, 1992 ISBN 9780819408259 page 18 "This was received with mixed reactions from the press and the optical computing community ... the computer consisted of only four modules that did a very modest amount of computing"
  16. DOC II 32-bit digital optical computer: optoelectronic hardware and software / Proc. SPIE 1563, Optical Enhancements to Computing Technology, 267 (December 1, 1991); doi:10.1117/12.49689
  17. P.S. Guilfoyle, "Digital+Optical+Computer"& Digital optical computing technology, performance and perspective / Technologies materielles futures de l'ordinateur Atlantica Séguier Frontières, edit par Pierre Chavel 1993. ISBN 9782863321416, pp.55...64. page 59 "4 Digital Optical Computer II", "5 Digital Optical Computer III"
  18. Киви Бёрд. Да будет свет! — Компьютерра.
  19. Информация от Lenslet Ltd ; [1]
  20. High Performance FFT on Multicore Processors, J. Barhen (ORNL), 2010 — pages 2-3 II. DIGITAL OPTICAL CORE PROCESSOR
  21. Исследователи IBM разрабатывают самый миниатюрный в мире нанофотонный коммутатор для маршрутизации оптических данных между ядрами в будущих процессорных чипах // IBM 2008
  22. High-throughput silicon nanophotonic wavelength-insensitive switch for on-chip optical networks, 2008 doi:10.1038/nphoton.2008.31
  23. 3DNews: Новости Hardware, 25.11.2009, Денис Борн
  24. Selling chip makers on optical computing / Phys.org, November 24, 2009 by Larry Hardesty (MIT)

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]