Оптические компьютеры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Работы по созданию оптического процессора начались еще в далеких 80-х годах, и не потому, что уже тогда нужна была более совершенная, чем кремниевая, технология, а ради удовлетворения простого интереса человечества: почему бы не создать альтернативный тип процессора? Однако создание процессоров оптического типа опередили несколько серьезных разработок в области оптических квантовых генераторов, по-нашему - лазеров.

В 1964 году А. Прохоров, Н. Басов и Ч. Таунс получили Нобелевскую премию за работу, которая произвела настоящую революцию в квантовой электронике. Благодаря этому великому труду стало возможным создание квантовых генераторов и усилителей. А в 1971 году Денеш Габор получил нобелевскую премию за изобретение голографического метода, который сейчас применяется в картографии, медицине, для диагностики сбоев в различных устройствах и др.

В тех же 80-х, с которых все и начиналось. Исследователи по оптической электронике начали работать над созданием процессора нового поколения. Оптический процессор должен был использовать специальные элементы, в которых свет управлял бы светом. Логические операции представлены как взаимодействия вещества со светом. В 1990 году фирма Bell создала макет оптического устройства и продемонстрировала выполнение логических и арифметических операций с очень высоким быстродействием. А в 2003 году компания Lenslet создала первый в мире оптический процессор, причем это была не демонстрационная модель, как созданная в 1990 году, а коммерческий продукт, который можно было купить. Процессор назывался EnLight256, его производительность составляла 8 тераоп (триллионов арифметических операций в секунду)! Операции выполнялись за счет манипуляции потоков света, а не электронов, поэтому была достигнута такая производительность. Может возникнуть вполне справедливый вопрос: зачем нам такая производительность? Да, обычному пользователю она не нужна, но справедливости ради нужно отметить, что оптические процессоры пока и не ориентированы на обычного пользователя, который хочет, чтобы его операционная система работала быстрее, чем у соседа. Оптические технологии в первую очередь ориентированы (по крайней мере сейчас) на промышленное производство, военную технику, то есть на те области, в которых нужно в реальном времени обрабатывать большие потоки информации и промедление в несколько сотых секунд может закончиться непоправимыми последствиями.

Оптика против кремния

Преимущества оптической технологии:

· возможность использовать совершенно разные среды передачи, хранения и обработки информации;

· возможность обработки информации во время ее передачи через оптическую систему, которая реализует вычислительную среду;

· возможность передавать информацию, которая закодирована оптическим лучом, практически без потерь энергии;

· отсутствие вероятности перехвата информации (по оптической технологии в окружающую среду ничто не излучается).

Первые оптические компьютеры

В 1990 году компания Bell (Bell Labs) создала макет первого оптического компьютера. В основе процессора были положены двухмерные матрицы бистабильных полупроводниковых элементов с множествами квантовых ям. Эти элементы обладали электрооптическими свойствами (в англоязычной литературе можно встретить аббревиатуру SEED - self-electro-optic-effect devices). Освещение элементов производилось полупроводниковым лазером через голографическую решетку Даммена. Мощность излучения лазера составила 10 мВт, длина волны - 850 нм. Свет проходил через один диод, в цепи возникал ток, что в свою очередь приводило к падению напряжения на структуре решетки и к повышению пропускания света через вторую структуру. Так возникала обратная связь и совокупность элементов образовывала логические ячейки ИЛИ-И, ИЛИ-НЕ и т.д. оптический компьютер процессор голографический

Первый оптический компьютер занимал один квадратный метр и состоял из четырех каскадов. На выходе каждого каскада определялось пространственное распределение излучения по состоянию входящей в состав каскада жидкокристаллической маски, которая управлялась обычным компьютером. Во втором поколении оптических компьютеров использовалась векторно-матричная логика. Второе поколение было представлено компьютером DOC-II (digital optical computer).

Поток данных в компьютере DOC-II излучали 64 модулируемых лазерных диода, длина волны каждого составляла 837 нм. Свет от каждого диода отображался на одну строчку матричного пространственного модулятора, общий размер которого составлял 64 128 элементов. Отдельный элемент матрицы - это не что иное, как брэгговская оптическая ячейка (на основе GaP). Свет, который выходит из модулятора, попадает на целый ряд фотодиодов (128 штук). В секунду компьютер может сделать 0,8192 переключения, при этом на одно переключение затрачивается 7,15 фДж, или около 3000 фотонов.

Можно проиллюстрировать эти значения. Например, нужно найти какое-то слово в тексте. Тестовая система Duron 1,6/256 MB/Win XP SP1, запущено более 50-ти процессов. Возьмем документ Win Word на 954 страницы, напишем нужное слово на 953 странице (такое слово было только одно в документе). Запустим поиск этого слова и одновременно нажмем кнопку "Старт" на своем секундомере. Поиск занял чуть больше трех секунд (а именно 3,175). Тут даже не принципиально, две или три секунды было затрачено, так как оптический компьютер просматривает за 1(!!) секунду 80 000 страниц обычного ASCII-текста. Комментарии излишни.

Разумеется, не все так радужно, и у оптических компьютеров предостаточно своих минусов. Их основной недостаток- неинтегрируемость его компонент. В настоящее время ведутся работы по созданию интегрального модуля оптического компьютера. Компьютер будет называться High Performance Optoelectronic Communication - HPOC. Его опытная модель уже создана.

В новом компьютере планируется использовать входную матрицу с вертикально расположенными лазерными диодами. Диоды будут соединяться волноводами и обычной оптикой, оснащенной матрицами переключения, на основе дифракционных оптических элементов. Выходная система будет состоять из матрицы фотодиодов, совмещенной с входной матрицей. В модуле используются технологии CMOS, Bi-CMOS, GaAs, оптические межсоединения организованы с помощью свободного распространения световых пучков. В итоге получается квазичетырехмерная структура. Уже создана опытная система, которая показывает скорость 1015 операций в секунду, причем потребляет энергии всего 1 фДж на переключение (а в DOC-II - там 7 фДж).

Что же касается «веса», то существующие оптические системы в этом проигрывают и «весят» больше используемых сейчас чипов.

EnLight 256

Единственный существующий сейчас коммерческий оптический процессор EnLight 256, созданный фирмой Lenslet, уже можно купить. Этот процессор является первым оптическим DSP (Digital Signal Processor), который в три раза превосходит лучшие электронные DSP. Если говорить точнее, EnLight256 - это гибридный оптический процессор, содержащий преобразователи. Создать полностью оптический компьютер пока слишком дорого. Простая замена ядра с сохранением всех остальных электронных компонент позволяет получить огромный прирост производительности.

Ядро этого процессора - оптическое, а входная и выходная информация представляется в электронном виде. Ядро состоит из 256-ти VCSEL-лазеров, пространственного модулятора света, набора линз и приемников. Производительность процессора составляет 8 триллионов операций в секунду: за один такт (8 нс) процессор умножает 256-байтный на матрицу 256х256.

Организация технологии Lenslet позволяет использовать лучшее из оптического и электрического миров. Оптическая матрица VMM (Vector-Matrix Multiplication), ядро процессора, конвертирует электрическую информацию в свет, затем производит необходимые преобразования этой информации, направляя свет через программируемую внутреннюю оптику. Свет, который появляется на выходе, ощущается множеством датчиков и преобразуется снова в электрический сигнал.

VMM состоит из трех основных элементов:

1. N не-когерентных лазеров, которые представляются как вектор, состоящий из N элементов, каждый элемент - это 8 бит.

2. Пространственного модулятора Multiple Quantum Well (MQW), состоящего из NxN пикселных модуляторов, размещенных на одном чипе.

3. Ряда из N детекторов света, которые интегрированы в массив аналогово-светового преобразования (Analog to Digital Converters, ADC). 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).

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. Это происходит очень быстро. Пространственный модулятор может поставляться и как отдельный продукт. Этот модулятор называется Ablaze, и о нем можно прочитать на сайте компании Lenslet.

EnLight256 уже сейчас широко используется. Основные сферы его применения - это военная промышленность и обработка видео в реальном времени. Эти сферы требуют высокой производительности. Но даже такого рода процессоры требуют доработки, когда решаются задачи правительственного масштаба - ошибки не приемлемы.

Размещено на Allbest.ru