Основные принципы построения оптических и оптико-электронных компьютеров

Рис.1. Схема обработки оптической информации

Еще в шестидесятые годы была начата разработка основных принципов построения оптических и оптико-электронных компьютеров.

Оптический компьютер - это устройство обработки информации с использованием света (Рис.1). Обсуждая отличительные особенности света как электромагнитной волны, нужно отметить, что частота световой волны на несколько порядоков выше частоты электрических сигналов и волн, используемых в современной компьютерной технике. Так, если электрическая волна, используемая, например, в радиотехнике, совершает приблизительно 100 тыс. колебаний в секунду, то световая волна имеет частоту, которая в 10-100 миллионов раз превосходит это значение. Потому с ее помощью в фиксированный интервал времени можно передавать большее число сигналов, а значит и информации. Кроме того, поскольку длина световой волны ничтожно мала, то имеется возможность обработки информации с необычайно высокой скоростью.

В последнее время наблюдается большой ажиотаж вокруг оптических компьютеров: считают, что оптические компьютеры сейчас находятся на одном уровне развития с нейрокомпьютерами и квантовыми компьютерами.

Однако в кругах специалистов существует мнение, что оптический компьютер в "чистом" виде еще не разработан. На данный момент существует лишь электронно-оптический компьютер. Действительно, в компьютерах фон Неймановской архитектуры широко используются оптические явления.

Рис.2. Схема оптического компьютера

В блоке ввода информации используются оптические датчики. Это устройства, в которых с помощью света определяются количественные характеристики информации, например наличие/отсутствие предмета, особенности его формы, скорость, температура и т. д. Оптическим датчикам, в отличие от датчиков других типов, не требуется непосредственного контакта с наблюдаемым объектом. Кроме того, оптические датчики отличаются высокой чувствительностью и быстродействием. К устройствам такого рода относятся различные оптические считыватели (OCR-Optical Character Reader), способные непосредственно считывать вводимую в компьютер алфавитно-цифровую информацию, и сканеры изображений, непосредственно вводящие в компьютер образную информацию.
Случаев использования света в устройствах вывода информации из компьютера огромное множество - это дисплей, лазерный принтер и т. д. Пользователем их является человек, который зрительно воспринимает эту информацию - опять-таки с помощью света.
Техника записи информации с помощью света (другими словами, создание оптической памяти) в последние годы привлекала самое пристальное внимание. Большой интерес вызывает разработка голографической памяти. Самой распространенной разработкой в этой сфере являются оптические диски.
Принцип считывания информации с оптического диска заключается в облучении поверхности диска лазерным лучом и снятии информации при помощи отраженного от поверхности диска света. В будущем, по всей видимости, оптическая память вытеснит магнитную, используемую в классических компьютерах.
В блоке связи и передачи информации используется хорошо известное всем оптическое волокно. Передача информации по оптическому волокну заключается в распространении по нему света. Свет не только обладает возможностью передачи информации со скоростью, на порядок превосходящей скорость передачи электрического сигнала, но и объем информации, переданный при помощи света за единицу времени, тоже больше. Так как волоконно-оптические кабели не излучают в радиодиапазоне, то передаваемую по ним информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи. Применение оптических средств обмена информацией дает больше преимуществ, нежели обычная электрическая передача данных.
Построение оптических процессоров на основе традиционных принципов вычисления встретило большие трудности (Рис.3)

Рис.3. Оптическая система - процессор на жидких кристаллах

Не слишком быстрое продвижение в построении оптических процессоров заставило разработчиков искать другие архитектуры. Разумеется - параллельные. Если уж электронные системы с массовым параллелизмом потеснили суперкомпьютеры со сверхмощным, но одним центральным процессором, то что говорить об оптических компьютерах, где распараллеливание можно осуществлять эффективно и разнообразными способами. Возникло убеждение, что не стоит заставлять оптические системы делать то, что они делают с таким трудом - то есть обрабатывать сложные алгоритмы. У оптики вообще плохо с логикой, ей лучше даются плохоформализуемые, "интуитивные" операции. Оптическая элементная база прекрасно сочетается с архитектурами искусственных нейронных сетей, которые, способны к обучению и самообучению.
Даже неуклюжие, построенные на традиционной элементной базе недавних времен, когерентные и некогерентные спецпроцессоры, в том числе оптические корреляторы, хорошо зарекомендовали себя в некоторых важных областях, вплоть до авиакосмической навигации. Многое в их технической реализации покрывает завеса таинственности: такая секретность обусловлена военными применениями.
Возможно обсуждение только реально работающих коммерческих оптических вычислительных устройств, имеет смысл остановиться на их достоинствах:
- передача информации со скоростью света;
- независимое распространение в свободном пространстве световых пучков, которые могут без помех пересекаться или перекрываться, что позволяет иметь до 1000 входных и выходных сигналов.
- естественная полная параллельность вычислений;
- адекватность схем обработки самому виду существования входного и выходного массива информации - двумерного изображения;
- крайне низкое энергопотребление (менее кТ на одну связь) против 108 kT для электронных компьютеров, где k - постоянная Больцмана, а Т - абсолютная температура;
- адекватность использованию интегральной (планарной) технологии, подобной технологии изготовления электронных микросхем (в том числе, СБИС);
- дополнительные возможности когерентной обработки (использование фазовых соотношений в голографических процессорах);
- нечувствительность к электромагнитным помехам;
- высокая мощность интегральных преобразований, выполняемых оптическими спецпроцессорами, и полная возможность оптической реализации как булевой алгебры, так и искусственных нейронов (порогового базового элемента).
Оптические нейрокомпьютеры начинают теснить традиционные компьютеры. Зачастую в состав суперкомпьютеров вводят оптические ускорительные нейроплаты, оптические межсоединения и коммутаторы. Их преимущества особенно заметны при решении самых сложных неформализуемых задач типа распознавания изображений большой размерности, технической диагностики, прогнозов в коммерческой деятельности и многих других. Перспективны и гибридные процессоры, сочетающие достоинства оптики и электроники. Переход к оптоэлектронике позволил получить некоторые более значительные результаты.
Наиболее универсальной основой современных оптико-электронных спецпроцессоров является триада матриц:
- излучателей;
- транспарантов - пространственно-временных модуляторов света (ПВМС);
- фотоприемников.
Эти оптронные триады выполняют функции, аналогичные транзисторам и триггерам, и очень удобны при выполнении операций над многомерными векторными величинами.
Ситуация с оптическими устройствами, с одной стороны благоприятная, а с другой - удручающая. Благоприятная, поскольку простые оптические компоненты (мультиплексоры, демультиплексоры и т.п.) могут работать на тактовых частотах 40 гигагерц и более. Удручающая - потому что по части энерговыделения даже самые прожорливые полупроводники на базе арсенида галлия не идут ни в какое сравнение с многоцветными лазерами, что препятствует переходу к лазерным излучателям. Нелишне подчеркнуть, что примитивная схемотехника оптических систем все еще оставляет желать лучшего, делая их малопригодными для реализации вычислительных машин общего назначения.
Одна из старейших архитектур, разработанных для оптических компьютеров, архитектура OPLA (Optical Programmable Logic Array) - оптическая программируемая логическая матрица. Многолетние работы по реализации этой архитектуры проводились в Японии. На оптических интегральных схемах была реализована вся булева алгебра. Считалось даже, что компьютеры 5-го и 6-го поколения будут реализованы на оптической элементной базе. Но доведение до стадии коммерчески пригодных продуктов оказалось сложней и длительней, чем ожидалось, и последнее время сообщений о каких-либо успехах в этом направлении не было. Сейчас считают, что перенос традиционной архитектуры, использующей принцип машины фон Неймана, на оптическую элементную базу, вряд ли перспективен. С другой стороны, один из японских ученых как-то сказал, что если бы в оптические компьютеры вкладывалась хотя бы пятая часть капитала, вложенного в разработки традиционных компьютеров, все компьютеры давно были бы оптическими. Во всяком случае, у OPLA сохраняются шансы в применениях, использующих операции декомпозиции, анализа и сжатия изображений, а также в САПР и виртуальной реальности.
В 1984 году Б. Дженкинс из Университета Южной Калифорнии продемонстрировал первый оптический компьютер, аппаратно выполнявший достаточно сложную последовательность команд. Взаимодействие двух лучей осуществлялось элементом, состоящим из жидкого кристалла и фотопроводника. Проходя, свет влияет на электрическое поле, приложенное к жидкому кристаллу, отчего меняется прозрачность элемента. Быстродействие элементов компьютера, реализованых на жидких кристаллах определялось временем переключения жидкокристаллической ячейки. Жидкие кристаллы значительно более инерционны, чем электронные схемы, поэтому высокое быстродействие на них недостижимо, однако, оптическая элементная база прекрасно сочетается с архитектурами нейронных сетей и хорошо подходит для решения интеллектуальных задач.
В 1990 году в AT&T Bell Laboratories Аланом Хуангом и его сотрудниками был разработан оптический компьютер по технологии SEED (Self-electro-optic Effect Device - устройство на авто-электрооптическом эффекте). В основе этой архитектуры - плоская фиксированная система простых и компактных оптических затворов на чередующихся слоях GaAs и AlGaAs, включенных параллельно. Они способны действовать как фотодиоды и подсоединяться к цепочке электронных логических ячеек, сформированных в подложке из GaAs. Они принимают и передают световую информацию перпендикулярно плоскости кристалла. Из них компонуются узлы на полевых транзисторах - решетка интеллектуальных ячеек (smart cells). Команды в компьютер вводились с внешнего электронного компьютера.
В январе 1993 года большое впечатление на ученых и журналистов произвел оптический компьютер, разработанный в Университете Колорадо. Джордан, руководитель отдела цифровых оптических вычислений в Университете Колорадо и его коллега профессор Винсент Хейринг собирали свое детище (размером с небольшой автомобиль и с мощностью недорогого ПК) пять лет. Хейринг сказал, что это самая сложная из когда-либо собранных оптических систем. Принципиальное отличие оптического компьютера от предшественников в том, что программа не "зашита", а хранится в оперативной памяти, которая представляет собой четырехкилометровые петли оптического волокна. По ним циркулируют импульсы инфракрасного излучения. Четырехметровый импульс кодирует 1, его отсутствие - 0. Это - 1 бит информации. Такой способ хранения информации авторы называют пространственно-временным способом хранения. Кодированные таким образом команды и данные курсируют в линиях задержки, пока управляющий элемент не направит их в процессор. Архитектура получила название bit-serial architecture (битовая последовательная архитектура). "На параллельную не хватило денег", - пошутил, а, может быть, и серьезно заметил Хейринг. (К тому же последовательная архитектура прекрасно сочетается с технологиями волоконно-оптических коммуникаций.) Потоки информации (лучи) коммутируются в процессоре 66-ю электро-оптическими переключателями на LiNbO3.
Разработчики утверждают, что у них и в мыслях не было делать прототип компьютера будущего. Они просто хотели доказать принципиальную возможность его создания.
Использование для связи оптического волокна необязательно, можно реализовать все связи в свободном пространстве, что поможет реализовать нетривиальные архитектуры. С другой стороны, уже есть некоторый опыт создания интегральных оптических микросхем, плоских волноводов со всеми встроенными элементами управления и преобразования. Ясно, что применение интегральной оптики и повышение быстродействия электронной части устройств позволит - рано или поздно - создать более компактные и мощные машины подобной архитектуры.
В прессе упоминались работы по созданию компьютера с архитектурой OPLA - Optical Programmable Logic Array (оптическая программируемая логическая матрица). Эта архитектура была предложена Стивеном Купиком из Dove Electronics, Валентином Морозовым (Университет Колорадо), и Питером Гилфойлем, президентом компании OptiComp в Неваде. Компьютер сможет выполнять неограниченное число цифровых операций. Известно, что проект поддерживается, кроме Dove Electronics, Университетом Алабамы, алабамской компанией A$M и лабораторией военно-воздушной базы Гриффисс.