Microsoft Word doc

Оптический
 
компьютер
 
В
современном
электронном
компьютере
можно
отметить
следующие
оптические
узлы
и
элементы
: 
– 
устройства
ввода
информации
– 
оптический
сканер
, 
оп
-
тическая
мышь
; 
– 
устройства
обмена
информацией
– 
инфракрасный
порт
, 
оптоволокно
; 
– 
устройства
вывода
информации
– 
лазерный
принтер
, 
дисплей
, 
голографический
(
объемный
) 
дисплей
; 
– 
устройства
памяти
– 
долговременная
память
на
переза
-
писываемых
оптических
дисках
, 
магнитооптические
диски
, 
го
-
лографические
диски
. 
В
2003 
году
фирмой
Lenslet (
Израиль
) 
был
представлен
пер
-
вый
коммерческий
оптический
процессор
Enlight 256, 
способный
производить
8 
Тера
операций
с
плавающей
запятой
в
секунду
. 
В
отличие
от
цифрового
способа
обработки
информации
оптические
технологии
допускают
аналоговое
представление
света
с
непрерывно
изменяющейся
интенсивностью
. 
В
аналого
-
вых
оптических
компьютерах
помимо
непрерывно
изменяю
-

---

363 
щейся
интенсивности
света
объектом
являются
все
точки
непре
-
рывных
координат
, 
а
не
дискретное
(
точечное
) 
представление
всей
информации
в
окружающем
пространстве
. 
Рассмотрим
основные
методы
аналоговых
вычислений
, 
производимых
в
аналоговых
оптических
компьютерах
, 
с
ис
-
пользованием
основных
законов
оптики
. 
На
рис
. 12.23, 
а
, 
б
по
-
казано
, 
как
с
помощью
светового
луча
можно
выполнять
опе
-
рации
сложения
и
умножения
, 
собирая
три
луча
в
одной
точке
и
измеряя
их
суммарную
интенсивность
. 
Фокусировка
лучей
облегчается
линзой
. 
Сложение
когерентных
световых
пучков
возможно
с
высокой
точностью
с
учетом
фазовых
характери
-
стик
, 
поскольку
складываются
не
интенсивности
, 
а
амплитуды
падающих
волн
. 
Рис
. 12.23. 
Основные
аналоговые
оптические
операции
:
а
– 
сложение
; 
б
– 
сложение
с
помощью
линзы
;
в
– 
умножение
на
основе
эффекта
пропускания
света
; 
г
– 
умножение
на
основе
эффекта
отражения
света
.
Теперь
рассмотрим
операции
умножения
и
деления
. 
Такие
операции
возможны
с
использованием
оптических
элементов
с
управляемой
прозрачностью
D (
отношением
интенсивности
выходного
светового
луча
I
′
 
к
интенсивности
входного
I), 
на
-
пример
с
использованием
свойств
жидких
кристаллов
, 
либо

---

364 
с
управляемым
коэффициентом
отражения
R 
на
основе
свойств
полупроводников
. 
Основными
операциями
аналогового
оптического
компью
-
тера
являются
только
две
операции
– 
сложение
и
умножение
, 
од
-
нако
одни
лишь
эти
операции
не
позволяют
выполнять
сложные
вычисления
. 
Отличительным
свойством
света
является
способ
-
ность
его
равномерного
распространения
во
всех
направлениях
. 
Благодаря
этой
особенности
появляется
возможность
параллель
-
ной
(
одновременной
) 
обработки
больших
объемов
информации
, 
и
в
этом
смысле
применение
оптического
компьютера
имеет
большое
значение
, 
однако
для
этого
недостаточно
использовать
лишь
свойство
прямолинейного
распространения
света
. 
Необхо
-
димо
воспользоваться
другими
свойствами
света
, 
такими
как
преломление
(
рефракция
) 
и
дифракция
, 
лежащими
в
основе
рабо
-
ты
линз
и
дифракционных
элементов
(
решеток
, 
голограмм
). 
Рассмотрим
свойства
линз
, 
которые
играют
центральную
роль
в
аналоговых
оптических
компьютерах
. 
Тонкая
линза
пред
-
ставляет
собой
простейший
оптический
прибор
с
двумя
сфериче
-
скими
поверхностями
. 
Как
показано
на
рис
. 12.24, 
если
перед
линзой
, 
например
с
левой
стороны
(
входная
плоскость
), 
помес
-
тить
некоторый
предмет
, 
то
с
противоположной
стороны
мы
по
-
лучим
перевернутое
и
уменьшенное
изображение
того
же
пред
-
мета
. 
Аналоговая
операция
инвертирования
и
масштабирования
произведена
со
скоростью
света
– 
попробуйте
провести
такую
же
операцию
с
данным
оптическим
изображением
(
имеющим
размер
6
×
12 
см
, 
обладающим
60000×120000 
элементами
разрешения
, 
что
соответствует
минимально
7,2 
Гбайт
с
использованием
програм
-
мы
, 
например
Adobe Photoshop). 
Таким
образом
, 
когерентные
оп
-
тические
системы
могут
быть
эффективно
использованы
для
ре
-
шения
широкого
круга
задач
, 
связанных
с
получением
, 
преобра
-
зованием
и
обработкой
визуальной
информации
. 
Поскольку
оптические
сигналы
реализуются
в
виде
реаль
-
ных
физических
сигналов
с
помощью
простейшей
оптической
системы
, 
над
ними
можно
производить
различные
математиче
-

---

365 
ские
операции
методами
пространственной
фильтрации
. 
Оптиче
-
ская
система
обработки
информации
методами
пространственной
фильтрации
состоит
из
следующих
компонентов
: 
источника
све
-
та
, 
когерентного
аналогового
процессора
, 
реализующего
матрич
-
ное
преобразование
информации
, 
устройства
ввода
информации
, 
пространственного
операционного
фильтра
и
детектора
выход
-
ных
сигналов
. 
Рис
. 12.24. 
Операции
инвертирования
и
масштабирования
, 
выполняемые
линзой
при
построении
изображения
На
практике
часто
приходится
иметь
дело
с
одномерными
сигналами
. 
Процессор
, 
способный
параллельно
обрабатывать
множество
одномерных
сигналов
, 
называется
астигматическим
. 
Число
элементов
вектора
и
матрицы
не
обязательно
может
равняться
одному
, 
двум
или
трем
, 
оно
может
быть
любым
. 
Воз
-
можность
параллельной
(
одновременной
) 
обработки
множества
данных
можно
назвать
классической
отличительной
чертой
ана
-
логового
оптического
компьютера
. 
Характерной
особенностью
оптического
сигнала
как
носите
-
ля
информации
является
его
двумерность
. 
При
малой
длине
волны
света
(
λ
< 1 
мкм
) 
размеры
участка
изображения
, 
передаваемого
с
помощью
волны
, 
не
могут
быть
меньше
λ
2
, 
что
позволяет
переда
-
вать
по
лучу
сечением
1 
см
2
до
10
8
бит
информации
параллельно
. 
Ввод
информации
в
световой
луч
осуществляется
с
помо
-
щью
модулятора
 
света
, 
который
изменяет
ее
, 
используя
, 
на
-

---

366 
пример
, 
преобразование
Фурье
. 
В
результате
оптическая
линза
дает
фурье
-
спектр
оптического
изображения
, 
падающего
на
эту
линзу
. 
Вводя
соответствующий
фильтр
в
фокальную
плоскость
после
линзы
, 
можно
улучшить
качество
изображения
или
даже
увидеть
изображение
невидимого
объекта
. 
На
рис
. 12.25 
представлена
схема
оптического
процессора
, 
предназначенного
для
распознавания
 
образов
. 
Точечный
источ
-
ник
света
в
фокусе
линзы
Л
1 
освещает
плоской
волной
набор
распознаваемых
картинок
в
плоскости
Р
1
. 
Фронт
световой
вол
-
ны
после
Р
1
искажается
и
попадает
в
плоскость
Р
2
, 
являющуюся
согласованным
фильтром
для
искомой
двумерной
картинки
. 
Фильтр
обладает
свойством
компенсации
искажений
волнового
фронта
, 
если
падающая
на
него
волна
является
двумерным
фу
-
рье
-
спектром
от
искомой
картинки
. 
В
результате
волна
снова
становится
квазиплоской
и
собирается
линзой
Л
3
в
светящееся
пятно
в
фокусе
Р
3
. 
При
несовпадении
картинок
свет
разбрасыва
-
ется
по
всей
плоскости
Р
3
. 
Рис
. 12.25. 
Схема
оптического
процессора
Такая
схема
позволяет
решать
задачи
оптической
обра
-
ботки
информации
с
большой
скоростью
, 
ограниченной
только
скоростью
ввода
информации
в
плоскости
Р
1
и
Р
2
и
скоростью
вывода
информации
из
плоскости
Р
3
. 
Принцип
параллельной
обработки
сигналов
впервые
был
предложен
в
1975 
году
в
Станфордском
университете
(
США
) 
и

---

367 
лег
в
основу
многих
оптических
информационных
устройств
, 
разработанных
впоследствии
, 
в
частности
в
основу
первого
ком
-
мерческого
цифрового
оптического
компьютера
Enlight256. 
Оптический
процессор
Enlight256 
по
принципу
действия
является
аналоговым
оптическим
вычислительным
устройст
-
вом
и
аппаратно
представляет
собой
развитую
гибридную
цифроаналоговую
систему
. 
Производительность
процессора
Enlight256 
составляет
8·10
12 
операций
в
секунду
: 
за
один
такт
(8 
нс
) 
процессор
выполняет
каноническую
операцию
в
вычис
-
лительной
математике
умножения
256
×
256-
байтной
матрицы
на
256-
байтный
вектор
. 
Ядро
процессора
Enlight256 – 
оптическое
, 
а
входная
и
вы
-
ходная
информация
представляется
в
электронном
виде
. 
Ядро
состоит
из
256 
лазеров
, 
пространственного
модулятора
света
, 
набора
линз
и
приемников
излучения
, 
образующих
оптическую
матрицу
VMM (Vector-Matrix Multiplication), 
которая
конверти
-
рует
электрическую
информацию
в
свет
, 
затем
производит
не
-
обходимые
преобразования
этой
информации
, 
направляя
свет
через
программируемую
внутреннюю
оптику
. 
Выходное
излу
-
чение
регистрируется
приемниками
и
преобразуется
снова
в
электрический
сигнал
. 
EnLight256 
уже
сейчас
используется
для
задач
, 
требующих
высокой
производительности
. 
В
частности
, 
один
процессор
тако
-
го
типа
способен
в
реальном
времени
обрабатывать
до
15 
видео
-
каналов
, 
может
использоваться
для
распознавания
голоса
, 
чело
-
веческих
лиц
, 
обработки
изображений
и
т
.
д
. EnLight256 
идеально
подходит
для
применения
в
военных
радарах
высокого
разреше
-
ния
для
обработки
данных
от
массивов
антенн
. 
В
1984 
году
Б
. 
Дженкинс
из
университета
Южной
Кали
-
форнии
продемонстрировал
первый
цифровой
оптический
ком
-
пьютер
, 
выполнявший
достаточно
сложную
последовательность
команд
. 
Взаимодействие
двух
лучей
осуществлялось
элементом
, 
состоящим
из
жидкого
кристалла
и
фотопроводника
. 
Свет
, 
про
-
ходя
, 
влияет
на
электрическое
поле
, 
приложенное
к
жидкому

---

368 
кристаллу
, 
отчего
меняется
прозрачность
элемента
. 
Быстродей
-
ствие
определяется
инерционностью
жидкого
кристалла
. 
В
80-
е
годы
прошлого
века
интенсивно
работали
над
соз
-
данием
полностью
оптических
компьютеров
нового
поколения
. 
Сердцем
такого
компьютера
должен
был
стать
оптический
про
-
цессор
, 
использующий
элементы
, 
в
которых
свет
 
управляет
 
светом
, 
а
логические
операции
осуществляются
в
процессе
взаимодействия
световых
волн
с
веществом
. 
Значительные
уси
-
лия
, 
направленные
на
создание
оптического
компьютера
, 
приве
-
ли
к
определенным
успехам
. 
Так
, 
в
1990 
году
в
лабораториях
американской
фирмы
«
Белл
» 
был
создан
макет
цифрового
опти
-
ческого
устройства
(
рис
. 12.26). 
Рис
. 12.26. 
Оптический
компьютер
DOC-II
С
его
помощью
была
продемонстрирована
возможность
выполнения
цифровых
и
логических
операций
с
высокими
па
-
раметрами
быстродействия
и
потребления
энергии
. 
Основу
про
-
цессора
разработанного
оптического
компьютера
составляли
двумерные
матрицы
бистабильных
элементов
(
размерностью
4
×
8) 
на
основе
квантоворазмерных
полупроводниковых
струк
-
тур
, 
обладающих
нелинейными
электрооптическими
свойства
-
ми
(self-electro-optic-effect devices – SEED). 
Первоначально
остановимся
на
основных
параметрах
оп
-
тических
бистабильных
элементов
. 
Система
называется
биста
-

---

369 
бильной
, 
если
она
имеет
два
устойчивых
состояния
(
мультиста
-
бильная
– 
более
двух
). 
Бистабильные
системы
можно
классифицировать
по
спосо
-
бу
осуществления
обратной
связи
и
механизму
нелинейного
про
-
пускания
. 
В
оптическом
бистабильном
элементе
SEED 
обратная
связь
осуществляется
за
счет
приложения
электрического
поля
к
квантоворазмерной
структуре
, 
причем
само
поле
возникает
при
прохождении
через
структуру
светового
излучения
. SEED, 
разра
-
ботанный
в
1986 
году
, 
представлял
собой
фотодиоды
из
GaAlAs 
и
структуру
сверхрешетки
, 
состоящей
из
100 
чередующихся
сло
-
ев
GaAs 
и
GaAlAs 
толщиной
по
95 
нм
, 
с
множественными
кван
-
товыми
ямами
. 
Нелинейное
пропускание
элемента
SEED 
связано
с
уменьшением
экситонного
поглощения
. 
При
больших
концен
-
трациях
экситонов
и
свободных
носителей
происходит
просвет
-
ление
в
области
экситонного
резонанса
. 
Это
связано
, 
во
-
первых
, 
с
тем
, 
что
в
присутствии
большого
числа
электронов
и
дырок
ку
-
лоновское
взаимодействие
между
электроном
и
дыркой
ослабля
-
ется
(
этот
эффект
называется
экранированием
). 
Во
-
вторых
, 
при
большой
концентрации
экситонов
они
начинают
интенсивно
взаимодействовать
, 
разрушая
друг
друга
. 
Важным
достоинством
первого
оптического
компьютера
яви
-
лась
возможность
последовательного
объединения
его
отдельных
каскадов
благодаря
искусственному
аналогу
эффекта
внутреннего
усиления
. 
Параметры
системы
были
следующие
: 
разрядность
– 
32 
бита
(
массив
4
×
8); 
логика
– 
бинарная
; 
тактовая
частота
– 1,1 
МГц
(
определялась
быстродействием
жидкокристаллической
маски
); 
число
переключений
в
секунду
– 40 
Мб
/c. 
Одним
из
достижений
данного
процессора
была
величина
энергии
на
одно
переключение
, 
которая
составляла
20 
фДж
и
была
на
6 
порядков
меньше
величины
энергии
переключения
в
электронных
компьютерах
того
времени
. 
Второе
поколение
оптических
цифровых
компьютеров
представлено
компьютером
DOC-II (digital optical computer), 
раз
-
работанного
в
научно
-
исследовательской
фирме
США
Opticomp 
Corporation. 
В
DOC-II 
использован
принцип
векторно
-
матрич
-

---

370 
ного
умножения
, 
однако
вектор
и
матрица
являются
булевски
-
ми
логическими
. 
В
данном
устройстве
входной
поток
данных
образовывался
излучением
линейки
64 
независимо
модулируемых
полупровод
-
никовых
лазеров
. 
Свет
от
каждого
лазера
линейки
отображался
на
одну
строчку
матричного
пространственного
модулятора
света
с
размером
64×128 
элементов
. 
Отдельный
элемент
матрицы
пред
-
ставлял
собой
акустооптическую
брэгговскую
ячейку
на
основе
полупроводника
GaP. 
Свет
, 
выходящий
из
рядов
пространствен
-
ного
модулятора
, 
попадал
на
линейку
из
128 
лавинных
фотодио
-
дов
. DOC-II 
имел
64×128 = 8192 
межсоединений
и
работал
на
час
-
тоте
передачи
данных
100 
Мб
·
с
–1
, 
что
соответствует
0,8192×10
12 
переключений
в
секунду
. 
Энергия
на
одно
переключение
состав
-
ляет
7,15 
фДж
(~30000 
фотонов
). 
Для
иллюстрации
быстродействия
представим
, 
что
нужно
найти
какое
-
то
слово
в
тексте
. 
Типичный
современный
персональный
компьютер
Duron 1,6/256 MB/Win XP 
SP1 
на
поиск
слова
в
документе
Win Word, 
состоящем
из
953 
страниц
текста
, 
тратит
чуть
больше
трех
секунд
, 
в
то
время
как
оптический
компьютер
DOC-II 
просматривает
за
одну
секун
-
ду
80 000 
страниц
обычного
ASCII-
текста
. 
Принципиальным
недостатком
макетов
первых
оптиче
-
ских
компьютеров
являлась
неинтегрируемость
их
отдельных
компонентов
. 
Исходя
из
этого
основной
задачей
следующего
этапа
работ
по
оптическому
компьютеру
было
создание
его
ин
-
тегрального
варианта
. 
В
конце
90-
х
годов
прошлого
века
велись
работы
по
соз
-
данию
интегрального
модуля
оптического
компьютера
с
логиче
-
ской
матрично
-
тензорной
основой
, 
названного
HPOC (High 
Performance Optoelectronic Communication). 
В
устройстве
пла
-
нировалось
использовать
входную
матрицу
VCSEL 
лазеров
, 
со
-
единенную
планарными
волноводами
и
обычной
оптикой
с
мат
-
рицами
переключения
, 
на
основе
дифракционных
оптических
элементов
, 
и
выходную
систему
, 
состоящую
из
матрицы
лавин
-
ных
фотодиодов
, 
совмещенной
с
матрицей
вертикально
-
излу
-

---

371 
чающих
диодов
. 
Опытные
образцы
показали
производительность
4,096 
Тб
·
с
–1
, 
а
оценки
свидетельствуют
, 
что
данная
система
спо
-
собна
развить
скорость
10
15 
операций
в
секунду
с
энергией
менее
1 
фДж
на
одно
переключение
. 
В
настоящее
время
фирма
Opticomp 
Corporation 
разработала
новый
интегральный
оптический
элемент
, 
состоящий
из
матрицы
лазеров
и
фотодетекторов
, 
соединенных
волноводом
, 
и
планирует
использовать
данные
устройства
как
для
обработки
информации
, 
так
и
для
создания
сверхбыстрых
пере
-
ключателей
в
сверхплотных
волоконных
линиях
связи
. 
Применение
фотоники
в
разработке
оптических
компьюте
-
ров
стремительно
расширяется
и
, 
подобно
тому
, 
как
это
произош
-
ло
с
электроникой
, 
с
ее
прежними
компьютерами
, 
в
будущем
мы
, 
вероятно
, 
будем
иметь
дело
не
с
электронами
, 
а
с
фотонами
. 
Соот
-
ветствующие
проектно
-
конструкторские
работы
ныне
успешно
продвигаются
. 
Оптические
компьютеры
смогут
обрабатывать
бо
-
лее
значительные
объемы
информации
, 
чем
электронные
. 
Впро
-
чем
, 
оптические
компьютеры
вряд
ли
смогут
в
ближайшее
время
полностью
вытеснить
электронные
, 
более
того
, 
предполагается
дополнять
электронные
устройства
соответствующими
оптиче
-
скими
блоками
с
целью
повышения
их
мощности
.