Технология Lenslet

(lenslet -- это технический термин, обозначающий одну элементарную линзу в составе оптической многолучевой системы.)

Ядро процессора Enlight256 - оптическое, а входная и выходная информация представляется в электронном виде. Ядро состоит из 256-ти VCSEL-лазеров[2], пространственного модулятора света, набора линз и приемников излучения, образующие оптическую матрицу VMM (Vector-Matrix Multiplication),(см рис10) которая конвертирует электрическую информацию в свет, затем производит необходимые преобразования этой информации, направляя свет через программируемую внутреннюю оптику. Выходное излучение регистрируется приемниками и преобразуется снова в электрический сигнал.

VMM состоит из трех основных элементов:

1. Линейки из 256 полупроводниковых VCSEL лазеров, которые представляются как вектор, состоящий из 256 элементов, и являются одним из "регистров" оптического арифметического логического устройства, каждый элемент которого - это число разрядностью 8 бит.

2. Управляющее световым потоком интегрально-оптическое устройство на основе GaAs/GaAlAs полупроводниковых структур с квантовыми ямами (Multiple Quantum Well), состоящего из матрицы 256x256 пространственных модуляторов работающих на отражение. Пространственный модулятор Multiple Quantum Well (MQW), состоит из NxN пиксельных модуляторов, размещенных на одном чипе см рис.11

3. Линейки из 256 фотоприемников излучения, которые интегрированы в массив аналогово-светового преобразования Analog to Digital Converters (ADS). Детекторы установлены так, чтобы получать лучи от матрицы модулятора. Вывод столбца детектора – это вектор-результат. Каждый элемент входного вектора проектируется на столбец матрицы. Каждый ряд матрицы проектируется на один детектор в векторе результата (вывода).

Рис.10 Принцип работы ядра VMM

Программирование оптического цифрового сигнального процессора (Optical Digital Signal Processing Engine, ODSPE) заключается в изменении значений, которые сохранены в пространственном модуляторе (Spatial Light Modulator, SLM). Загрузка приложения (или данные внутри приложения) аналогична замене матрицы в пространственном модуляторе.

Пространственный модулятор, может поставляться как отдельный продукт –можно создать свой оптический процессор. Модулятор называется Ablaze и о нем можно прочитать на сайте компании Lenslet.(не доступен)

Рис11.Пространственный модулятор Multiple Quantum Well

Заявленное быстродействие в 8 триллионов целочисленных трехоперандных команд типа "умножение с накоплением" (MAC -- фактически умножение двух чисел и сложение результата с третьим числом) в секунду, способность выполнять за секунду или 125 млн. 128-точечных дискретных комплексных преобразований Фурье, или 500 тыс. таких же преобразований, но уже на 16 тыс. точек, или 125 млн. вычислений 128-точечных комплексных корреляционных функций.

Энергопотребление суммарное составляет 40 Вт, а "приведенное к производительности" -- 5 мВт на 1 млрд. операций в секунду. Эти цифры в среднем на два порядка выше (на некоторых задачах -- на три и даже на шесть!), чем показатели классических современных DSP ()цифровых процессоров обработки сигналов).

Первый оптический процессор Enlight256 см рис 12 является по принципу действия именно аналоговым оптическим вычислителем. Аппаратно Enlight представляет собой развитую гибридную цифроаналоговую систему, содержащую как квантовомеханические элементы, так и необходимые в инженерной практике узлы (например, популярную в цифровой технике для встраиваемых применений реализацию внутрисистемной отладки, соответствующую стандарту JTAG).

Рис.12. Внешний вид оптического компьтера Enlight256 с пояснениями [7].

Рис.13 Материнская плата Оптического компьютера Enlight256

Оптический процессор компании Lenslet конструктивно реализован традиционно: -- "материнская" плата со смонтированными оптоэлектронными компонентами. См рис 13. Но в ближайшее время компания обещает компактный конструктив-микросборку.
Внутри "вычислительного ядра" Enlight, по сути, находится параллельная счетная машина со специализированной архитектурой, оптимальной для выполнения фактически одной задачи: Умножение матрицы на вектор -- каноническая операция в вычислительной математике, основной типовой "кирпичик", из множества которых можно соорудить чуть ли не все что угодно. При этом элементарность такого более чем ресурсоемкого действия в Enlight подчеркивается машинным временем его исполнения -- ровно за один "такт" (на самом деле никаких особых "тактов" у оптического ядра Enlight нет, но, оно не существует "само по себе").

Цифра 256 - это "разрядность" элементарной операции, означающая, что за один "такт" процессор Enlight256 способен перемножить вектор из 256 элементов на матрицу размерностью 256 x 256.

Уточним значение использованного термина "элемент" (вектора и матрицы). Ядро Enlight по своей сути является аналоговым устройством. "Аналоговый" и "неточный" в вычислительной технике -- синонимы. Именно поэтому разработчики Lenslet ограничили диапазон значений элементов вектора и матрицы числом 256, соответствующим традиционным 8-битным целым числам. И именно поэтому им пришлось реализовать уникальную систему динамической калибровки, для того чтобы устранить возможную потерю точности в ходе работы. Так что равенство между "аналоговым" и "неточным" справедливо не только в вычислительной технике -- в нашем случае ядро Enlight

"оказалось "дискретным аналоговым".