Оптический компьютер

Шаблон:ПереработатьШаблон:Обновить Опти́ческие или фото́нные вычисли́тели — гипотетические вычислительные устройства, вычисления в которых производятся с помощью фотонов, излучаемыми лазерами или светодиодами.

Большинство современных исследований направлено на замену традиционных (электронных) компонентов компьютера на их оптические эквиваленты.

Предполагается, что результатом этих исследований станет новая цифровая компьютерная технология для обработки двоичных данных. Такой подход по замене элементной базы даёт возможность в краткосрочной перспективе разработать технологии для коммерческого применения, поскольку оптические компоненты могут быть использованы в классических компьютерах, сначала при создании гибридных электронно-фотонных систем, а затем и полностью фотонных.

Однако оптоэлектронные приборы теряют 30 % энергии при преобразовании электроэнергии в свет и обратно, что также замедляет скорость передачи информации в оптоэлектронных повторителях<ref>Шаблон:Книга</ref>. В гипотетическом полностью оптическом компьютере не будет преобразования сигнала из оптического в электрический и обратного преобразования в оптический сигнал.

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 Шаблон:Нп3.

Один из возможных вариантов — использование материалов с нелинейными оптическими эффектами, в частности, нелинейное поведение показателя преломления.

Уже найдены некоторые материалы<ref>Шаблон:Cite web</ref> у которых интенсивность входящего излучения влияет на интенсивность проходящего излучения, такое поведение образно сравнивают с семейством вольт-амперных характеристик (ВАХ) полупроводникового транзистора. Подобные «оптические транзисторы»<ref>Шаблон:Статья</ref><ref name=jainprattpatent>Jain, K. and Pratt, Jr., G. W., «Optical transistors and logic circuits embodying the same Шаблон:Wayback», U.S. Pat. 4,382,660, issued May 10, 1983.</ref> могли бы использоваться для создания оптических логических вентилей<ref name=jainprattpatent />, из которых собирались бы более сложные логические схемы. Однако, многие нелинейные эффекты требуют очень большой интенсивности управляющих сигналов.

Оптические компьютеры с применением пространственных модуляторов

Несколько компаний представляли прототипы оптоэлектрических аналоговых систем, использующих пространственные модуляторы, управляемые электрическими сигналами. Создателями данных установок предлагалось несколько вариантов систем, которые могут быть решены подобными системами.

Оптический компьютер компании «Bell labs»

Первый макет оптического компьютера был создан в 1990 году группой Алана Хуанга (Alan Huang) в Bell Labs<ref name="xakep">Денис Колисниченко, Оптические процессоры от и до.// журнал Хакер, номер #055, стр. 055-012-1] Шаблон:Wayback (копия Шаблон:Wayback)</ref><ref name="NetworkWorld90">Шаблон:Статья </ref> и получил противоречивые отзывы<ref>Chapter 2: Architectures. 2.2.2 Bell Labs. architecture Шаблон:Wayback / Henri H. Arsenault, Yunlong Sheng. An Introduction to Optics in Computers. Volume 8 of Tutorial texts in optical engineering — SPIE Press, 1992 ISBN 978-0-8194-0825-9 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»</ref>.

DOC-II

Следующий прототип 1991 года носил название «DOC-II» (англ. Шаблон:Lang-en2 — цифровой оптический компьютер)<ref>DOC II 32-bit digital optical computer: optoelectronic hardware and software Шаблон:Wayback / Proc. SPIE 1563, Optical Enhancements to Computing Technology, 267 (December 1, 1991); doi:10.1117/12.49689</ref><ref>P. S. Guilfoyle, «Digital+Optical+Computer»& Digital optical computing technology, performance and perspective Шаблон:Wayback / Technologies materielles futures de l’ordinateur Atlantica Séguier Frontières, edit par Pierre Chavel 1993. ISBN 978-2-86332-141-6, pp.55…64. page 59 «4 Digital Optical Computer II», «5 Digital Optical Computer III»</ref>. В нём использовалось 64 лазера, матричный пространственный модулятор размером 64х128 (элементы матрицы — ячейки Брэгга из фосфида галлия) и 128 фотодетекторов, оптическая схема могла выполнять умножение булевых векторов и матриц.

Шаблон:Нет АИ 2.

Оптический компьютер компании «Lenslet»

Компанией «Lenslet» в 2003 году был продемонстрирован оптический DSP-процессор EnLight256<ref name="xakep" /><ref>Киви Бёрд. Да будет свет! Шаблон:Wayback — Компьютерра.</ref><ref>Информация от Lenslet Ltd Шаблон:Wayback; [1] Шаблон:Wayback</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 8×10¹² элементарных операций над 8-битными целыми числами в секунду. 256 лазеров освещают пространственно-световой модулятор MQWSLM размером 256x256 ячеек (с электронным управлением), 256 фотодетекторов считывают аналоговый результат. Таким образом, процессор выполняет векторно-матричную операцию. Управляющая матрица MQWSLM может перенастраиваться на новые данные несколько миллионов раз в секунду.

EnLight Alpha

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 из-за малой длины двоичных слов для данных с малой амплитудой при обработке, этой системой были успешно найдены все спектральные максимумы<ref>High Performance FFT on Multicore Processors Шаблон:Wayback, J. Barhen (ORNL), 2010 — pages 2-3 II. DIGITAL OPTICAL CORE PROCESSOR</ref>.

Шаблон:ЯкорьФотонная логика

Управляемый квантовооптический вентиль NOT (CNOT).
A — управляющий бит;
B — результирующий бит;
D₁—D₄ — фотодетекторы;
М1—М5 — зеркала;
PBS1, PBS2 — частично поляризующие расщепители светового пучка;
F1—F4 — светофильтры;
P1—P6 — поляризаторы;
BBO — нелинейный оптический элемент, пластинка из бета-бората бария (β-BaB₂O₄);
b1—b4, a1—a4 — световые пучки;
λ/2 — полуволновые пластинки.

Шаблон:Falseredirect Фотонная логика гипотетически должна использовать отдельные фотоны светаШаблон:Уточнить в логических вентилях (таких как NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR). Переключательные функции можно бы реализовать нелинейными оптическими эффектами, вызываемых одним управляющим оптическим сигналом и воздействующих на другой оптический сигнал<ref name=jainprattpatent />Шаблон:Не АИШаблон:Нет в источнике.

При реализации фотонной логики могут быть необходимы оптические резонаторы, увеличивающие энергию за счёт усиливающей интерференции (интерференции в одной фазе) и упрощающие возникновение нелинейных эффектов.

Также исследуется фотонная логика на отдельных молекулах с использованием эффекта фотолюминесценции. В 2011 году Witlicki и др. продемонстрировали выполнение логических операций на молекулах с использованием рамановской спектроскопии Шаблон:Iw<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Разработка родственных технологий и компонентов

В 2008 году 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<ref>Исследователи IBM разрабатывают самый миниатюрный в мире нанофотонный коммутатор для маршрутизации оптических данных между ядрами в будущих процессорных чипах Шаблон:Wayback // IBM 2008</ref><ref>High-throughput silicon nanophotonic wavelength-insensitive switch for on-chip optical networks Шаблон:Wayback, 2008 doi:10.1038/nphoton.2008.31</ref>.

В 2009 году профессорами Массачусетского технологического института Владимиром Стояновичем и Радживом Ремом был предложен способ создания оптических волноводов непосредственно на кремниевых чипах, на которых реализованы полупроводниковые процессоры. Также ими были продемонстрированы интегрированные на чипе кремниевые управляемые резонаторы, выделяющие из входного сигнала излучение с разными длинами волн<ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Selling chip makers on optical computing Шаблон:Wayback / Phys.org, November 24, 2009 by Larry Hardesty (MIT Шаблон:Wayback)</ref>.

Недостатки оптических технологий

По состоянию на 2009 год в полностью оптических системах плохо реализуются запоминающие устройства и операции над отдельными битами, поэтому такие технологии находят применение лишь пока в переключении оптических сигналов в зависимости от длины волны излучения и переключения по разным оптическим волокнам (в частности, в Шаблон:Iw)<ref name="EOI">Шаблон:Книга</ref>.

Заблуждения, проблемы и перспективы

Часто заявляется, что эксплуатация оптических компьютеров будет энергоэкономичной, однако в оптических системах при передаче информации на малое расстояние зачастую необходимо использовать бо́льшую мощность, чем в электрических и электронных системах. 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 отношения 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 оптической связи. Имеется тенденция при увеличении скоростей передачи информации заменять всё более короткие электронные каналы связи оптическими каналами<ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref>, в частности, оптические кабели становятся более популярными, чем электрические для высокоскоростных версий Ethernet (10G, 40G, 100G) уже при длине не более 10 метров.

Существенной 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 вакууме из-за его линейности, что формулируется как принцип суперпозиции. Взаимодействие световых пучков возможно лишь в оптически нелинейных материалах<ref>Dan Gauthier, Andrew Dawes, Lucas Illing and Susan Clark. All-optical switching Шаблон:Wayback: Introduction to all-optical switching Шаблон:Wayback «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.»</ref>, и степень такого взаимодействия для электромагнитных волн значительно ниже, чем для электрических сигналов в традиционных компьютерах. Из-за этого переключающие элементы оптического компьютера требуют бо́льшие мощности сигналов и оказываются больше по размерам, чем существующие электронные схемы.

Критика

Бытуют сомненияШаблон: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<ref name="Tucker">Шаблон:Статья</ref>, что логические системы требуют следующих возможностей от нелинейной элементной базы: восстановление исходных логических уровней, каскадируемость, возможность объединения нескольких входных сигналов на входе одного элемента (fan-in) и разветвления выходного сигнала одного элемента на вход нескольких элементов (fan-out)<ref>Эта операция может потребовать применения дополнительных усилителей сигнала, что увеличит задержки распространения сигнала в элементах и снизит плотность размещения элементов</ref><ref>Lianhua Ji, V.P. Heuring. Impact of gate fan-in and fan-out limits on optoelectronic digital circuits Шаблон:Wayback. Applied Optics Vol.36, No 17, 10 june 1997 pp3927-3940</ref>, изоляции между входами и выходами. Все эти свойства технически просто реализуются в транзисторных схемах, при этом они чрезвычайно дёшевы (при микроэлектронной реализации), имеют низкое тепловыделение и высокую скорость переключения.

По состоянию на 2010 год, не было представлено оптических элементов или схем (пассивных или активных), которые бы имели необходимую функциональность и при этом были бы столь же компактны и энергоэффективны, как схемы на транзисторах<ref name="Tucker"/>. Для того, чтобы логика на оптических компонентах была конкурентоспособной, требуется фундаментальный прорыв в функциональности, энергопотреблении и компактности оптических элементов; разработка оптической памяти и технологий группового производства<ref name="Tucker"/>. Также предполагается, что оптические вычислительные системы не дадут ускорение обработки информации, поскольку, как и в случае с транзисторной логикой, частота переключения, вероятно, будет ограничена энергопотреблением<ref name="Tucker"/>.

Оптические элементы применяются лишь в нескольких специфических областях, например, для передачи сигналов на большие расстояния по линиям оптоволоконной связи (благодаря низкому затуханию при распространении<ref name="Tucker"/>), при этом каких-либо вычислений в таких оптических системах оптическими методами не производится.

См. также

• Фотонный кристалл
• Оптические нейронные сети

Литература

• Корнюшенко Г. В., Чехловой Т. К., Аникина В. И. Волноводная оптоэлектроника. / Под редакцией Т. Тамира. Перевод с англ. А. П. Горобца. — М.: «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.
• Юшин А. М. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги. Справочник. — Т. 1., Радиософт. — Москва, 1998.
• Шаблон:Статья
• K.-H. Brenner, Alan Huang: «Logic and architectures for digital optical computers (A)», J. Opt. Soc. Am., A 3, 62, (1986)
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга
• Goswami D. «Optical Computing», Resonance, June 2003; ibid July 2003. Web Archive of www.iisc.ernet.in/academy/resonance/July2003/July2003p8-21.html

Ссылки

• Шаблон:Cite web
• David A. B. Miller, Are optical transistors the logical next step? Шаблон:Wayback / Nature Photonics 4, 3 — 5 Шаблон:Wayback (2010) doi:10.1038/nphoton.2009.240